Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на выдачу патента США №11/773559, поданной 5 июля 2007 года, которая является частичным продолжением заявки на выдачу патента США №10/709595, поданной 17 мая 2004 года, соответствующей патенту США №7256374, при этом настоящая заявка полностью включает указанные документы посредством ссылки.
Область техники
[0002] Данное изобретение относится к нагревательному устройству, предназначенному для предварительного нагрева секций трубопровода до выполнения операции сварки, нагрева до операции сварки между сварочными проходами, нагрева для отжига для удаления водорода из сварного соединения или нагрева во время последующего нагрева сварного соединения. В частности, настоящее изобретение относится к нагревательным поясам, устанавливаемым на каждой трубе рядом со сварным соединением.
Предпосылки создания изобретения
[0003] Ниже даны определения используемых в настоящем описании терминов.
[0004] Термин «нагрев после сварки» относится к операции нагрева секции трубы после сварки до требуемой температуры после выполнения сварки в секции трубы. Например, при нагреве после сварки с использованием трубы из молибденовой стали с хромом Р91 трубу нагревают до температуры в диапазоне 200-1015 градусов по Фаренгейту (90-550 градусов по Цельсию). Термин «Р91» применяется для описания общего типа трубы, используемой для транспортировки под высоким давлением нефти, газа или пара. Материал Р91 включает сплав молибдена и хрома, имеющий химический состав 9Cr-1Mo-V (Р91).
[0005] Термин «отжиг для удаления водорода» относится к операции окончательной обработки сварного соединения, при которой поддерживается постоянная температура сваренной секции трубы для удаления из сварного соединения всех оставшихся водородных примесей при подготовке трубы к резке и сварке. Отжиг для удаления водорода позволяет предотвратить преждевременное растрескивание сварного соединения или трубы в месте обработки.
[0006] Термин «температура между сварочными проходами» относится к температуре трубы между сварочными проходами. «Сварочный проход» представляет собой путь, проходимый при единичной операции сварки. Например, сварочный проход для секции трубы представляет собой круговую траекторию вдоль сварного соединения трубы.
[0007] Многие известные решения для нагрева трубы сложно устанавливать, снимать и перемещать из области сварного соединения, при этом они, как правило, содержатся в сильно ограниченной области. Кроме того, для многих известных решений необходим источник питания, требующий использования тяжелого оборудования для обеспечения пригодного источника питания. Например, для напряжений свыше 480-600 В требуется генератор, устанавливаемый на грузовом автомобиле. В каждом таком грузовом автомобиле имеется тяжелый кабель для подачи питания от генератора, установленного на грузовом автомобиле, в нагревательное устройство, которое, как правило, расположено удаленно от места сварки. Тяжелый кабель может представлять опасность на рабочем месте, поскольку использование кабелей высокого напряжения несет угрозу безопасности.
[0008] Поэтому желательно создать портативное нагревательное устройство для термической обработки секций нефтяной трубы, которое является простым в использовании и не представляет угрозу безопасности на рабочем месте.
Сущность изобретения
[0009] Предлагаются устройство и способ нагрева секций трубы или трубопровода до выполнения сварки секций труб, нагрева сварного соединения до выполнения операции сварки между сварочными проходами, нагрева сварного соединения для выполнения отжига для удаления водорода и/или нагрева во время последующей термической обработки сварного соединения.
[0010] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения нагревательное устройство может содержать пояс, который может быть прикреплен к трубе с возможностью съема. Устройство может содержать электронагревательные элементы, установленные в пределах указанного пояса. В других вариантах выполнения настоящего изобретения устройство может содержать программируемый контроллер температуры, обеспечивающий средство для нагрева трубы до требуемой температуры.
[0011] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения пояс может быть закреплен вокруг трубы с использованием ремней и D-образного кольца. В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс может закрываться с использованием подпружиненной кнопки, которая входит в приемное гнездо. В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс может закрываться с использованием "портфельной" защелки или "портфельного" замка. В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс может закрываться с использованием чеки, проходящей через петли, расположенные как на верхнем, так и на нижнем концах пояса.
[0012] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения устройство может содержать программируемый контроллер температуры, выполняющий программу, сконфигурированную для управления подачей питания в пояс, при этом нагрев трубы или сварного соединения может происходить согласно заданной пользователем программе нагрева, которая может управлять продолжительностью нагрева в дополнение к установке требуемой температуры нагрева в любой момент времени во время операции нагрева.
[0013] В других вариантах выполнения настоящего изобретения устройство может также содержать термопару или датчик температуры, расположенный в нагревательном поясе, и регистрирующее устройство для контроля и регистрации температуры трубы или сварного соединения во время операции нагрева трубы или сварного соединения. В других вариантах выполнения настоящего изобретения регистрирующее устройство может передавать зарегистрированные данные в компьютер общего назначения для создания электронных записей операций нагрева, проконтролированных и зарегистрированных регистрирующим устройством.
[0014] В широком смысле, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения предлагается устройство для нагрева трубы или сварного соединения, содержащее: по меньшей мере один нагревательный пояс, выполненный с возможностью установки вокруг трубы или сварного соединения; блок контроллера, выполненный с возможностью соединения с источником питания и функционально соединенный с указанным по меньшей мере одним нагревательным поясом, а также выполненный с возможностью управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс; контактор, расположенный в блоке контроллера, для управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс и цифровой контроллер, расположенный в блоке контроллера и выполненный с возможностью включения и выключения контактора, причем цифровой контроллер также содержит программу для включения и выключения контактора в заранее заданные моменты времени, при этом по меньшей мере один нагревательный пояс может нагревать трубу или сварное соединение в указанные заранее заданные моменты времени.
[0015] В широком смысле, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения предлагается способ нагрева трубы или сварного соединения, включающий следующие шаги: обеспечение наличия нагревательного устройства, содержащего: по меньшей мере один нагревательный пояс, выполненный с возможностью установки вокруг трубы или сварного соединения; блок контроллера, выполненный с возможностью соединения с источником питания и функционально связанный с указанным по меньшей мере одним нагревательным поясом, а также выполненный с возможностью управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс; контактор, расположенный в блоке контроллера, для управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс и цифровой контроллер, расположенный в блоке контроллера и выполненный с возможностью включения и выключения контактора, причем цифровой контроллер содержит программу для включения и выключения контактора в заранее заданные моменты времени, при этом по меньшей мере один нагревательный пояс может нагревать трубу или сварное соединение в заранее заданные моменты времени; установку указанного нагревательного устройства вокруг трубы или сварного соединения; подключение нагревательного устройства к источнику питания и включение нагревательного устройства, при этом происходит нагрев трубы или сварного соединения.
Краткое описание чертежей
[0016] На фиг.1 показан вид в перспективе с пространственным разнесением деталей основного варианта выполнения нагревательного устройства нагревательного пояса.
[0017] На фиг.2A показан разрез на виде сверху, иллюстрирующий внутреннюю базовую часть нагревательного устройства, показанного на фиг.1.
[0018] На фиг.2B показан вид сверху, иллюстрирующий теплопроводящий элемент нагревательного устройства, показанного на фиг.1.
[0019] На фиг.2C показан вид сверху, иллюстрирующий внешнее покрытие нагревательного устройства, показанного на фиг.1.
[0020] На фиг.3A показан разрез, иллюстрирующий нагревательный пояс, содержащий нагревательное устройство, показанное на фиг.1.
[0021] На фиг.3B показан разрез, иллюстрирующий нагревательный пояс, показанный на фиг.3A, с крепежными средствами.
[0022] На фиг.4 показана электрическая схема варианта выполнения нагревательного пояса.
[0023] На фиг.5 показан вид в перспективе нагревательных обмоток нагревательного пояса.
[0024] На фиг.6 показан вид в перспективе альтернативного варианта выполнения нагревательного пояса.
[0025] На фиг.7 показан вид в перспективе нагревательного пояса, показанного на фиг.6, в открытом положении с крепежным механизмом с подпружиненной кнопкой.
[0026] На фиг.8 показан вид спереди нагревательного пояса, показанного на фиг.6, в закрытом положении с крепежным механизмом "портфельного" замка.
[0027] На фиг.9A показан вид в перспективе нагревательного пояса, показанного на фиг.6, в открытом положении с крепежным механизмом с чекой.
[0028] На фиг.9B показан вид в перспективе нагревательного пояса, показанного на фиг.9A, со вставленной чекой.
[0029] На фиг.9C показан вид в перспективе нагревательного пояса, показанного на фиг.9A, когда чека вставлена полностью.
[0030] На фиг.10 показан вид в перспективе нагревательного устройства с программируемым контроллером температуры.
[0031] На фиг.11 показан вид сверху устройства, показанного на фиг.10.
[0032] На фиг.12 показана электрическая схема устройства, показанного на фиг.11.
Подробное описание изобретения
[0033] Предлагаются устройство и способ термической обработки трубы или сварного соединения.
[0034] На фиг.1 показан вариант выполнения нагревательного устройства 10. В общем аспекте изобретения нагревательное устройство 10 может содержать теплопроводящий нагревательный элемент 2, источник 4 питания и программируемый механизм 5 управления температурой, управляющий напряжением и током, подаваемым в нагревательный элемент 2.
[0035] Нагревательный элемент 2 может содержать проволочный нагревательный элемент 23, имеющий сопротивление. Проволочный нагревательный элемент 23 может обеспечивать механизм преобразования электрической потенциальной энергии в тепловую энергию. Соответственно, нагревательный элемент 2 может также содержать теплопроводящую внутреннюю базовую часть 7 для поглощения, сохранения и передачи тепловой энергии из проволочного нагревательного элемента 23 в теплопроводящую среду 8. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения теплопроводящая среда 8 может прилегать к внутренней базовой части 7. Теплопроводящая среда 8 может поглощать тепловую энергию из внутренней базовой части 7 и передавать тепловую энергию, поглощенную из внутренней базовой части 7, в поверхность металлической трубы, когда устройство 10 обернуто вокруг трубы, подвергаемой термической обработке. Теплопроводящая среда 8 может содержать теплопроводящее основание, например металлическое, обеспечивающее внутреннюю обкладку для покрытия и защиты внутренней базовой части 7 от повреждения.
[0036] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения внутренняя базовая часть 7 может быть закрыта внешней покрывающей оболочкой или слоем 9, который может поддерживать нагревательный элемент 23 и предотвращать прямой контакт сварщика с нагревательным элементом 23. Внешний слой 9 может быть закрыт теплоизолирующим покрытием 6, чтобы защитить руку сварщика от прямого контакта с нагревательным элементом 23. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения нагревательное устройство 10 может также содержать изолирующее покрытие (не показано) для закрытия трубы с обеих сторон на 6 дюймов (15 см) от нагревательного устройства 10 плюс само устройство.
[0037] На фиг.1 показан с пространственным разнесением нагревательный элемент 23, внутренняя базовая часть 7, теплопроводящая среда 8, внешний слой 9 и покрытие 6. Внутренняя базовая часть 7 может быть расположена между теплопроводящей средой 8 и внешним слоем 9. Нагревательный элемент 23 может поддерживаться внутренней базовой частью 7 и прилегать к теплопроводящей среде 8 и внешнему слою 9. Покрытие 6 обеспечивает защитную «оболочку» для указанной слоистой конструкции.
[0038] В контексте настоящего описания и формулы изобретения термин «прилегать» означает то, что внутренняя базовая часть 7, теплопроводящая среда 8 и внешний слой 9 могут быть расположены в контакте друг с другом. Чем больше площадь поверхности внутренней базовой части 7, которая находится в контакте с площадью поверхности теплопроводящей среды 8, тем больше тепловой энергии может быть передано между внутренней базовой частью 7 и теплопроводящей средой 8.
[0039] Специалисту очевидно, что внутренняя базовая часть 7, теплопроводящая среда 8 и внешний слой 9 могут иметь любую подходящую физическую конфигурацию при расположении внутренней базовой части 7 между теплопроводящей средой 8 и внешним слоем 9 без промежутков между ними для обеспечения высокой нагревательной способности устройства 10.
[0040] На фиг.2A показан разрез нагревательного пояса. Каждый пояс может содержать внутреннюю базовую часть 7. Внутренняя базовая часть 7 может нагреваться нагревательным элементом 22 посредством индукции. Нагревательный элемент 22 может содержать проволочный нагревательный элемент 23 в виде обмотки. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения проволочный нагревательный элемент 23 может содержать проволоку с высоким сопротивлением, которая является источником тепла для внутренней базовой части 7 при прохождении электрического тока через нагревательный элемент 23.
[0041] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения внутренняя базовая часть 7 может содержать керамический материал, как известно специалистам в данной области техники. Керамический материал может использоваться для внутренней базовой части 7, поскольку керамический материал способен эффективно поглощать, сохранять и передавать тепло непосредственно от нагревательного элемента в место сварного соединения. Однако специалистам очевидно, что внутренняя базовая часть 7 может содержать любой материал, подходящий для поглощения, сохранения и передачи тепла. Как в случае операций до выполнения сварки, этот способ подходит для эффективного управления параметром сварки, таким как температура.
[0042] Керамическая внутренняя базовая часть 7 способна обеспечить постоянный источник тепла для трубопровода, поскольку потоком и передачей тепла из внутренней базовой части 7 в трубопровод может управлять механизм 5 термостатического управления, как показано на фиг.1. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения внутренняя базовая часть 7 может быть нагрета до заданной температуры путем управления напряжением и током, подаваемым в проволочный нагревательный элемент 23. И наоборот, внутреннюю базовую часть 7 можно легко охладить до заданной температуры путем управления напряжением и током, подаваемым в проволочный нагревательный элемент 23.
[0043] Нагревательные пояса устройства 10 могут также содержать теплопроводящую среду 8, как показано на фиг.2B. Теплопроводящая среда 8 предоставляет теплопроводящий материал для передачи тепловой энергии из внутренней базовой части 7. Теплопроводящая среда 8 может передавать тепловую энергию из внутренней базовой части 7 в металлический трубопровод, подвергаемый термической обработке. Кроме того, на поверхности теплопроводящей среды 8 может быть выполнено отверстие 36 для установки механизма 5 управления, как показано на фиг.1.
[0044] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения теплопроводящая среда 8 может быть выполнена из оцинкованного листового металла. Листовой металл обеспечивает эффективное теплопроводящее основание и может быть выполнен в любой требуемой форме, подходящей для трубопровода.
[0045] Нагревательные пояса устройства 10 могут также содержать внешний слой 9, как показано на фиг.2C. Внешний слой 9 может также обеспечивать защитное внешнее покрытие для установки нагревательного элемента 22, керамической внутренней базовой части 7 и теплопроводящей среды 8. Внешний слой 9 может являться защитным барьером для обеспечения защиты рук сварщика от прямого контакта с нагревательным элементом 22. Кроме того, внешний слой 9 может содержать кожух 46 для размещения проводов (не показаны) и программируемого механизма 5 управления температурой, как показано на фиг.1.
[0046] На фиг.3A и 3B показан разрез нагревательного пояса 15. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения внутренняя базовая часть 7 может быть расположена между теплопроводящей средой 8 и внешним слоем 9 по существу параллельно им. Кроме того, для защиты рук сварщика от прямого контакта с нагревательным элементом поверх внешнего слоя 9 может иметься защитный слой 35. Защитный слой 35 может содержать теплоизолирующий материал. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения теплоизолирующий материал может содержать изоляцию Fibrafrax™, производимую компанией Plibrico, Чикаго, Иллинойс, США. Изоляция Fibrafrax™ представляет собой антипирен, поэтому не теряет своих полезных свойств под воздействием высокой температуры и подходит для изготовления хорошего изолятора для нагревательного пояса.
[0047] В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс 15 может также содержать внешний кожух 50, оканчивающийся крепежными средствами 55. Крепежные средства 55 обеспечивают механизм закрепления пояса вокруг трубопровода. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения крепежные средства 55 могут включать часть крепления Velcro™, которая выходит за первый конец 43 внешнего кожуха 50. Крепежные средства 55 могут также включать второй конец 47 внешнего кожуха 50. Второй конец 47 может соединяться с частью первого конца 43, закрепляя нагревательный пояс вокруг трубопровода.
[0048] В контексте настоящего документа термин «дальний конец» относится к первому концу 43 внешнего кожуха 50. Аналогично, термин «ближний конец» относится ко второму концу 47 внешнего кожуха 50. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения дальний конец и ближний конец каждого пояса расположены на противоположных концах пояса. Однако предусмотрено, что первый конец 43 и второй конец 47 крепежного средства 55 могут быть расположены в произвольных местах вдоль внешнего кожуха 50.
[0049] Специалистам очевидно, что масштаб и пропорции каждого нагревательного пояса могут быть подобраны для трубопроводов различных размеров. Например, периметр или диаметр ("x") пояса могут быть подобраны под различные диаметры трубопровода. Кроме того, ширина ("y") пояса может быть подобрана так, чтобы обеспечить большую площадь поверхности нагрева на трубопроводе и, кроме того, обеспечить выполнение требований термической обработки и снятие механических напряжений в сварных соединениях труб.
[0050] Специалистам очевидно, что может использоваться любая геометрия крепежных средств 55. Например, длина первого конца 43 может быть выбрана так, чтобы обеспечить охват трубопроводов различных размеров. Кроме того, второй конец 47 также может быть выбран так, чтобы он соответствовал изменяемым размерам первого конца. Например, для первого конца 43 может быть предусмотрен более длинный элемент крепления Velcro™ для больших размеров трубопровода. Кроме того, на втором конце 47 может быть предусмотрена большая площадь крепления Velcro™ для приема первого конца 43. Таким образом, нагревательный пояс может быть регулируемым для использования его с широким диапазоном диаметров трубопроводов.
[0051] На фиг.4 показана электрическая схема некоторых вариантов выполнения устройства согласно настоящему изобретению. Нагревательные обмотки 84а и 84b представляют собой нагревательные элементы, расположенные внутри нагревательных поясов, и могут быть связаны с контактами 82 и 83 для разъема. Нейтраль 90 от источника питания (не показана) может быть соединена с контактом 82. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения электрическая схема может содержать термостат 80. В таких вариантах выполнения настоящего изобретения контакты 83 могут быть соединены с контактом 86 на термостате 80. Линия 88 питания от источника питания может быть соединена с контактом 87 на термостате 80. В других вариантах выполнения настоящего изобретения электрическая схема может не содержать термостата 80; в этом случае источник питания может быть соединен с контактами 83.
[0052] В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.5, нагревательные обмотки 84a и 84b могут быть соединены с контактами 82 и 83 для разъема. Контакты 82 могут быть соединены с нейтралью 90. Контакты 83 могут быть соединены с контактом 86 на термостате 80. Линия 88 питания может быть соединена с контактом 87 на термостате 80. В этом варианте выполнения настоящего изобретения термостат 80 может быть установлен в пределах нагревательного пояса в отверстии 36, как показано на фиг.2B и описано выше. Линия 88 питания и нейтраль 90 могут быть заключены в кабель 94, который может иметь электрическую вилку 96, расположенную на дальнем конце кабеля 94, для подключения в электрическую розетку питания (не показана). Как показано в этом варианте выполнения настоящего изобретения, элементом 92 управления термостатом может быть вращательный регулятор, который может использоваться для установки требуемой температуры, до которой нагревательные пояса должны нагреть трубу. Специалистам очевидно, что элемент 92 управления термостатом может быть любого подходящего типа управления, используемого в термостатах.
[0053] В процессе работы термостат 80 может замыкать внутреннее электрическое соединение между контактами 86 и 87 (не показано), позволяя электрическому току протекать через нагревательные обмотки 84a и 84b. По мере нагрева трубы нагревательными обмотками, термопары 80 могут считывать температуру трубы. Когда температура трубы приблизительно достигает температуры, заданной в элементе 92 управления термостатом, термостат 80 размыкает электрическое соединение между контактами 86 и 87, прерывая электрический ток через нагревательные обмотки 84a и 84b, что приводит к прекращению нагрева трубы вне температурного диапазона, заданного элементом 92 управления температурой в термостате. Когда труба охлаждается ниже заданной температуры, термостат 80 может замкнуть электрическое соединение между контактами 86 и 87 для нагрева трубы. Специалистам хорошо известно, что этот цикл нагрева и охлаждения может повторяться до тех пор, пока не будет отключено питание нагревательных обмоток или пока элемент 92 управления термостатом не будет настроен на новую температуру, в результате чего цикл нагрева и охлаждения будет приспособлен к новой температуре.
[0054] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения в нагревательном поясе может отсутствовать термостат 80, при этом нейтраль 90 может быть соединена с контактом 82, а линия 88 питания может быть соединена с контактами 83a и 83b. Это может иметь место, если источник питания имеет номинальное переменное напряжение 110-120 В. В других вариантах выполнения настоящего изобретения источником питания может быть однофазный источник переменного напряжения 220-240 B или трехфазный источник переменного напряжения 208 B, при этом контакты 83a и 83b могут быть соединены с отдельными контактами или фазами источника питания.
[0055] На фиг.6 показан альтернативный вариант выполнения нагревательного пояса в закрытом положении. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения нагревательный пояс 68 может иметь жесткое внешнее покрытие в виде оболочки и может содержать две части или приблизительные половины, соединенные шарниром 69, который позволяет открыть пояс 68, установить его на трубу, а затем закрыть пояс 68 вокруг трубы. Пояс 68 может также содержать расположенную на нем ручку 70. Ручка 70 может использоваться оператором для открытия и закрытия пояса 68. В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс 68 может содержать входной электрический разъем 71, расположенный на внешней поверхности пояса 68. Для скрепления половин пояса вместе, после того как пояс 68 установлен на трубе, может использоваться зажим 72, расположенный на поясе 68. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения на внутренней поверхности 58 могут иметься вентиляционные отверстия 73, позволяющие теплу от нагревательного элемента 74 распространяться к трубе. Вентиляционные отверстия 73 могут также быть расположены в боковой стенке 59, позволяя воздуху циркулировать через пояс 68. В других вариантах выполнения настоящего изобретения пояс 68 может не содержать электрического разъема 71, а содержать электрический кабель (не показан), входящий в пояс 68 для подачи питания.
[0056] На фиг.7 пояс 68 показан в открытом состоянии. В этом варианте выполнения настоящего изобретения пояс 68 может иметь крепежный механизм, который может содержать подпружиненную кнопку 75 с пружиной 103, расположенную на верхней половине пояса 68. На нижней половине пояса 68 может быть выполнено отверстие 76. Когда пояс 68 обхватывает трубу, кнопка 75 может быть вставлена в отверстие 76 до полного закрепления в отверстии 77, при этом край 101 кнопки 75 зацепится за край 102 отверстия 77, скрепляя вместе обе половины пояса. Натяжение пружины 103 удерживает кнопку 75 в отверстии 77. Для открытия пояса 68 кнопку 75 надавливают так, чтобы край 101 отошел от края 102, позволяя кнопке 75 выйти из отверстия 76, в результате чего пояс 68 раскроется.
[0057] На фиг.8 показан пояс 68 с альтернативным крепежным механизмом. В этом варианте выполнения настоящего изобретения пояс 68 может иметь так называемый "портфельный" замок, который содержит подпружиненный засов 78 и захват 79. Для соединения половинок пояса 68 засов 78 вставляют в захват 79, обеспечивая их сцепление. Чтобы открыть пояс 68, следует нажать или сдвинуть вбок кнопку 8 для открытия, освобождая клапан 78 из захвата 79.
[0058] На фиг.9A-9C показан пояс 68 с еще одним вариантом крепежного механизма, содержащим петли 49 и 51 для чеки, расположенные на верхней и нижней половинах пояса соответственно, и чеку 48. На фиг.9A пояс 68 показан в открытом состоянии. На фиг.9B пояс 68 показан в закрытом состоянии, при этом петля 49 расположена между петлями 51, а чека 48 продета через петли 49 и 51, скрепляя половины пояса вместе. На фиг.9C показано подпружиненное кольцо 53, надетое на чеку 48 и не дающее чеке 48 выйти из петель 49 и 51. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения чека 48 присоединена к поясу 68 шнуром 52, причем один конец шнура прикреплен к поясу 68, а другой конец - к кольцу 53. Шнур 52 может представлять собой моноволокно, многожильный шнур или кабель из соответствующего материала, что очевидно специалистам в данной области техники.
[0059] На фиг.10 и 11 показан вариант выполнения нагревательного пояса и блока управления. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения устройство может содержать по меньшей мере один нагревательный пояс 68, который может получать питание из блока 114 управления. Питание из блока 114 управления в пояс 68 подается через электрические кабели 112, при этом кабели 112 могут входить в пояс 68 через соединители 110 для снятия механических напряжений.
[0060] На фиг.12 показана схема некоторых вариантов выполнения устройства согласно настоящему изобретению. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения блок 114 управления может содержать цифровой контроллер 116, контактор 130 и блок 126 предохранителей. Примеры цифрового контроллера 116 могут включать цифровые контроллеры серии DC1000, производимые компанией Honeywell International Inc, Морристау, Нью-Джерси, США, однако специалистам очевидно, что может использоваться любой функционально эквивалентный цифровой программируемый контроллер температуры.
[0061] Цифровой контроллер 116 может быть функционально связан с контактором 130 через провода 138 управления между контактами 142, расположенными на цифровом контроллере 116, и контактами 140, расположенными на контакторе 130, при этом цифровой контроллер 116 может включать и выключать контактор 130, осуществляющий подачу питания в нагревательные обмотки 84a и 84b, расположенные в поясе 68. В контексте настоящего описания термин «контактор» может включать контакторы, электромеханические реле, симисторы, полупроводниковые устройства или любые другие функционально эквивалентные механические, электромеханические или твердотельные устройства, которые могут включать и выключать электрический ток, проходящий через них, и известны специалистам в данной области техники. В варианте выполнения настоящего изобретения контактор 130 может содержать трехфазный контактор, способный пропускать ток 30A в каждой фазе и имеющий рабочую обмотку, рассчитанную на работу с переменным напряжением 208-240 B и управляемую цифровым контроллером 116. Питание может подаваться в контактор 130 через кабель 118, связанный с источником питания через разъем 120.
[0062] В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения разъем 120 может быть связан с трехфазным источником переменного напряжения 208B, при этом провод 118 может представлять собой кабель 10/4 (4 проводника из изолированных проводов калибра 10). Три из проводников кабеля 118 могут быть связаны соответственно с тремя фазами, а четвертый проводник может быть проводом 119 «земля», подключенным к клемме 121 «земля» в блоке 114. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения электрический ток, подаваемый через кабель 118 по проводникам 122, может сначала поступать через контакты 123 предохранителей 124, каждый из которых соединен с плавким предохранителем соответствующей фазы в блоке 126 предохранителей. В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения предохранители 124 могут быть рассчитаны на 30A и 240B. Затем питание с контактов 125 предохранителей 124 через провода 128 поступает на контакты 132 контактора 130. Провода 136 в кабелях 112 могут быть соединены с выходными контактами 134, расположенными на контакторе 130, для подачи питания в нагревательные обмотки 84a и 84b, расположенные в поясе 68.
[0063] В варианте выполнения настоящего изобретения кабели 112 могут представлять собой кабель 10/3 (3 проводника из изолированных проводов калибра 10), при этом два проводника каждого кабеля 112 могут быть соединены с контактами 134, а третий проводник каждого кабеля 112 может быть проводом 113 «земля», подключенным к клемме 121 «земля».
[0064] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения питание может подаваться в цифровой контроллер 116 по проводам, соединяющим контакты 146 для питания, расположенные в цифровом контроллере 116, с контактами 123. В других вариантах выполнения настоящего изобретения электроэнергия, подаваемая в цифровой контроллер 116, может проходить через предохранители 144.
[0065] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения блок 114 может также содержать термопару 150, расположенную в поясе 68 и предназначенную для измерения температуры пояса 68 при нагреве трубы. Термопара 150 может содержать сопротивление с положительным температурным коэффициентом, сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом, полупроводниковое устройство или любое другое функционально эквивалентное устройство, известное специалистам в данной области техники. Термопара 150 может быть соединена с цифровым контроллером 116 проводами 152 управления, идущими на входные контакты 160 для термопары на цифровом контроллере. Провода 152 могут быть размещены в отдельном кабеле между блоком 114 и поясом 68 или могут быть размещены или вплетены в один или оба кабеля 112. В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения показано, что термопара расположена рядом с нагревательной обмоткой 84b, хотя специалистам очевидно, что одна или более термопар 150 могут быть расположены в поясе 68 рядом с одной или обеими нагревательными обмотками 84a и 84b или в том месте пояса 68, где можно измерять температуру.
[0066] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения блок 114 может также содержать регистрирующее устройство 148, функционально связанное с цифровым контроллером 116 проводами 159, соединяющими выходные контакты 158 для передачи данных, расположенные на цифровом контроллере 116, с входными контактами 149 для передачи данных, расположенными на регистрирующем устройстве 148. Регистрирующее устройство 148 может производить запись температуры, считанной термопарой 150, которая расположена в поясе 68, в течение операции нагрева трубы или сварного соединения и сохранять значения зарегистрированной температуры в качестве считанных показаний температуры в машиночитаемой памяти, расположенной в регистрирующем устройстве 148. Считываемые данные о температуре могут также содержать время, в которое это значение температуры было записано регистрирующим устройством 148. Пример подходящего регистрирующего устройства включает регистратор температуры Thermocouple Recorder, модель № ОМ-СР-ТС110-2МВ, производимый компанией Omega Engineering, Inc., Стамфорд, Коннектикут, США, или модель EL-USB-TC-LCD регистрирующего устройства, производимого компанией Lascar Electronics Inc., Эри, Пенсильвания, США, хотя специалистам очевидно, что в качестве регистрирующего устройства 148 может использоваться любое подходящее и функционально эквивалентное устройство регистрации данных.
[0067] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения регистрирующее устройство 148 может также быть сконфигурировано для связи с компьютером 156 через кабель 154 для передачи данных, соединяющий контакт 155, расположенный на регистрирующем устройстве 148, с контактом 157, расположенным в компьютере 156. Контакты 155 и 157 могут быть контактами стандартов USB или RS 232, также хорошо известными специалистам, или любыми другими функционально эквивалентными устройствами разъема или стандартами для передачи данных. Регистрирующее устройство 148 и/или компьютер 156 может в зависимости от приложений также содержать программное обеспечение или встроенное программное обеспечение для передачи записанных значений температуры, полученных регистрирующим устройством 148, в компьютер 156 для формирования электронной записи операции нагрева трубы или сварного соединения. Такие электронные записи могут использоваться для проверки того, что конкретная труба или сварное соединение было обработано нагревом.
[0068] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения цифровой контроллер 116 может управлять подачей питания в пояс 68, при этом труба или сварное соединение, нагреваемые поясом 68, могут быть нагреты до одной или более заранее заданных значений температуры в одном или более заранее заданных временных интервалах.
[0069] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения цифровой контроллер 116 может быть запрограммирован для подачи питания в пояс 68 для нагрева трубы или сварного соединения до заранее заданной температуры, которая может быть увеличена или уменьшена за заранее заданный временной период в дополнение к тому, что труба или сварное соединение может поддерживаться при заранее заданной температуре в течение заранее заданного промежутка времени.
[0070] Например, операция предварительного нагрева трубы перед сваркой может включать нагрев трубы приблизительно до 250°F (120°C) приблизительно в течение 30 минут. Отжиг для удаления водорода из сварного шва может включать нагрев сварного соединения приблизительно до 200°F (90°C) в течение приблизительно 1,5 часов. Тест на наличие напряжений в сварном соединении может включать подъем температуры сварного соединения приблизительно до 1100°F (590°C) свыше приблизительно 30 минут, поддержание температуры приблизительно 1100°F (590°C) в течение приблизительно 2-4 часов и затем уменьшение температуры до комнатной температуры или температуры атмосферного воздуха приблизительно в течение 30 минут. Последующая обработка трубы после сварки может включать сначала нагрев трубы приблизительно до 200°F (90°C), затем нагрев трубы до 1150°F (620°C) в течение приблизительно 30 минут, поддержание трубы при этой температуре в течение приблизительно 2-4 часов, после чего охлаждение в течение 30 минут до 200°F (90°C), или нагрев в соответствии со спецификацией.
[0071] Выбор температуры и продолжительности нагрева трубы или сварного соединения может зависеть от материала или материалов, из которых выполнена труба или сварное соединение, спецификации изготовителя трубы или материала для сварки или рабочих условий, при которых будет работать труба или сварное соединение. Устройство может быть запрограммировано пользователем с обеспечением любой программы нагрева, включая температуру и продолжительность нагрева трубы или сварного соединения.
[0072] В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.12, блок 114 сконфигурирован для работы от трехфазного переменного напряжения 208 B. Поскольку показано, что пояс 68 содержит две нагревательные обмотки, специалистам очевидно, что устройство работает в конфигурации разомкнутого треугольника, а это означает, что нагрузка установлена только на двух из трех фаз электросети. Если работают два или более блоков 114 от одного трехфазного источника питания, специалистам очевидно, что каждый из блоков 114 может соединять нагревательные обмотки с различными фазами электросети, при этом полная нагрузка, распределяемая на трехфазную сеть двумя или более блоками 114, может быть использована совместно или сбалансирована наилучшим возможным способом. Один из способов достижения баланса между двумя или более блоками 114 заключается в изменении фазы электропитания, подаваемого на нагревательные обмотки в различных блоках 114. Это может достигаться путем изменения порядка, в котором провода питания, расположенные в кабеле 118, связаны с каждым из соединительных контактов трехфазного питания, расположенных в разъеме 120. Поскольку существуют различные способы соединения проводников в кабеле 118 с контактами трехфазного питания в разъеме 120, блок 114 может быть сконфигурирован в соответствии с тремя различными типами (например, «Тип 1», «Тип 2» или «Тип 3») в зависимости от порядка, в котором провода питания в кабеле 118 связаны с соединительными контактами для питания, расположенными в разъеме 120, что известно специалистам как средство балансировки нагрузки, подключаемой к трехфазному источнику питания, когда используются два или более блоков 114, подключенных к одному и тому же источнику питания. Например, когда используются два блока 114, можно использовать блок Типа 1 и блок Типа 2 (или 3). Если используется и третий блок 114, можно добавить блок Типа 3 (или 2). При использовании дополнительных блоков 114 цикл можно продолжить.
[0073] Специалистам в данной области техники очевидно, что в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения нагревательный пояс 68 может содержать три нагревательные обмотки для обеспечения сбалансированной нагрузки или нагрузки типа «замкнутого треугольника» на трехфазный источник. Таким образом, при одновременном использовании нескольких блоков 114 необходимость в использовании блоков 114 различных «типов», как описано выше, уменьшается или отпадает вообще, поскольку каждый блок 114 обеспечивает полностью сбалансированную нагрузку на трехфазный источник питания.
[0074] Кроме того, специалистам очевидно, что блок 114 может подавать в пояс 68 однофазное переменное напряжение 220-240 B, при этом каждая ножка или контакт для питания подает переменное напряжение 110-120 B в одну из нагревательных обмоток 84a и 84b в поясе 68. Кроме того, специалистам очевидно, что для подачи питания в пояс 68 блок 114 может быть подсоединен к источнику питания с напряжением больше чем 208 B трехфазного переменного напряжения или 220-240 B однофазного переменного напряжения. В таких конфигурациях каждый цифровой контроллер 116, предохранители 125 и 144 и контактор 130 могут быть адаптированы или заменены на аналогичные компоненты, которые способны работать при других напряжениях и токах, обеспечивая такое же или аналогичное функционирование.
[0075] Хотя выше было проиллюстрировано и описано несколько вариантов выполнения настоящего изобретения, специалистам очевидно, что можно сделать различные изменения и модификации изобретения в пределах сущности изобретения. Термины и выражения в данном описании использованы лишь для иллюстрации, но не для ограничения изобретения, и не исключают признаки или их части, эквивалентные описанным и проиллюстрированным признакам или их частям. Объем изобретения определяется и ограничивается только формулой изобретения.
Изобретение относится к вспомогательному сварочному оборудованию, которое может быть использовано для предварительного нагрева труб перед выполнением сварки или для последующей термической обработки сварного соединения труб. Нагревательное устройство содержит по меньшей мере один нагревательный пояс, устанавливаемый вокруг труб или сварного соединения труб, блок управления с контактором подачи питания в нагревательный пояс и цифровой контроллер для управления подачей тепловой энергии из нагревательного пояса в свариваемые трубы или их сварное соединение. Использование изобретения позволяет упростить нагревательное устройство и повысить его безопасность. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 17 ил.
1. Устройство для нагрева металлических труб перед сваркой и сварного соединения металлических труб, содержащее
а) по меньшей мере один нагревательный пояс, выполненный с возможностью установки вокруг труб или их сварного соединения и с возможностью предварительного нагрева металлических труб до температуры, предшествующей сварке, нагрева сварного соединения металлических труб до температуры отжига для удаления водорода, или до температуры теста на наличие напряжений, или до температуры последующей термообработки сварного соединения труб,
б) блок управления, функционально связанный с указанным по меньшей мере одним нагревательным поясом и выполненный с возможностью соединения с источником питания и с возможностью управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс,
в) расположенный в блоке управления контактор для управления подачей питания в указанный по меньшей мере один нагревательный пояс и
г) цифровой контроллер, расположенный в блоке управления и выполненный с возможностью включения и выключения контактора в заданные моменты времени в соответствии с содержащейся в нем программой выполнения нагрева труб или их сварного соединения в заданные моменты времени.
2. Устройство по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один нагревательный пояс также содержит
а) сеть проводов, имеющих сопротивление, которая способна выделять тепловую энергию при подаче на нее напряжения,
б) внутреннюю базовую часть, выполненную с возможностью прилегания к трубам или сварному соединению труб и с возможностью поглощения тепловой энергии из сети проводов и передачи тепловой энергии к трубам или к сварному соединению труб, и
в) защитный слой, обеспечивающий защитное внешнее покрытие для поддержки по меньшей мере одного нагревательного пояса и защиты его от внешней среды, при этом указанный защитный слой снабжен крепежным средством для закрепления каждого пояса вокруг труб или их сварного соединения.
3. Устройство по п. 2, в котором упомянутый по меньшей мере один нагревательный пояс содержит теплопроводящий элемент, прилегающий к внутренней базовой части и выполненный с возможностью передачи тепловой энергии из внутренней базовой части к трубам или их сварному соединению.
4. Устройство по п. 3, в котором указанный по меньшей мере один нагревательный пояс содержит внешнее покрытие, обеспечивающее теплопроводящее основание для передачи тепловой энергии из внутренней базовой части к трубам или их сварному соединению.
5. Устройство по п. 3 или 4, в котором упомянутый по меньшей мере один нагревательный пояс содержит изолирующий слой, выполненный в виде теплоизолирующего слоя для защиты рук сварщика от прямого теплового контакта с теплопроводящим элементом.
6. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором блок управления содержит электрический кабель питания, имеющий электрический разъем питания для соединения с источником питания.
7. Устройство по п. 6, которое выполнено с возможностью соединения с источником питания переменного напряжения величиной в диапазоне 208-240 В.
8. Устройство по любому из пп. 2-4, в котором крепежное средство содержит первый и второй концы, расположенные на защитном слое, при этом первый конец содержит часть крепления Velcro™, прикрепленную к одному из концов защитного слоя, а второй конец крепежного средства прикреплен к другому концу защитного слоя и содержит ответную часть крепления Velcro™ для приема упомянутой части крепления Velcro™ для закрепления по меньшей мере одного нагревательного пояса вокруг труб или их сварного соединения.
9. Устройство по любому из пп. 2-4, в котором защитное внешнее покрытие содержит жесткую оболочку, содержащую две части или половины, шарнирно соединенные между собой.
10. Устройство по п. 9, в котором крепежное средство содержит по меньшей мере одно из следующего: подпружиненную кнопку, расположенную на одной части или половине жесткой оболочки, и отверстие для кнопки, расположенное на другой части или половине жесткой оболочки, «портфельный» замок, расположенный на частях или половинах жесткой оболочки, чеку и петли, расположенные на частях или половинах жесткой оболочки.
11. Устройство по любому из пп. 1-4, которое содержит термопару, расположенную в указанном по меньшей мере одном нагревательном поясе и выполненную с возможностью измерения температуры в нем во время операции нагрева труб или их сварного соединения, при этом термопара функционально связана с цифровым контроллером, выполненным с возможностью включения и выключения контактора в зависимости от значения температуры, измеренного термопарой, для нагрева труб или их сварного соединения до заданных значений температуры в заданные моменты времени.
12. Устройство по п. 11, содержащее регистрирующее устройство, расположенное в блоке управления, функционально связанное с цифровым контроллером и выполненное с возможностью записи по меньшей мере одного показания температуры, соответствующего температуре в указанном по меньшей мере одном нагревательном поясе во время операции нагрева, при этом указанное по меньшей мере одно показание температуры включает время, в которое температура была измерена.
13. Устройство по п. 12, содержащее компьютер, выполненный с возможностью функциональной связи с регистрирующим устройством и с возможностью получения из регистрирующего устройства по меньшей мере одного показания температуры, записанного регистрирующим устройством во время операции нагрева.
14. Способ нагрева металлических труб перед сваркой и сварного соединения металлических труб с использованием устройства для нагрева по п. 1, включающий следующие шаги:
а) размещение по меньшей мере одного нагревательного пояса вокруг труб или их сварного соединения,
б) подключение упомянутого устройства для нагрева к источнику питания и
в) нагрев труб или их сварного соединения посредством упомянутого устройства.
15. Способ по п. 14, в котором по меньшей мере один нагревательный пояс устройства для нагрева содержит
а) сеть проводов, имеющих сопротивление, которая способна выделять тепловую энергию при подаче на нее напряжения,
б) внутреннюю базовую часть, выполненную с возможностью прилегания к трубам или сварному соединению труб и с возможностью поглощения тепловой энергии из сети проводов и передачи тепловой энергии к трубам или к сварному соединению труб, и
в) защитный слой, обеспечивающий защитное внешнее покрытие для поддержки по меньшей мере одного нагревательного пояса и защиты его от внешней среды, при этом указанный защитный слой снабжен крепежным средством для закрепления каждого пояса вокруг труб или их сварного соединения.
16. Способ по п. 14, в котором по меньшей мере один нагревательный пояс устройства для нагрева содержит теплопроводящий элемент, прилегающий к внутренней базовой части и выполненный с возможностью передачи тепловой энергии из внутренней базовой части к трубам или их сварному соединению.
17. Способ по п. 16, в котором по меньшей мере один нагревательный пояс устройства для нагрева содержит внешнее покрытие, обеспечивающее теплопроводящее основание для передачи тепловой энергии из внутренней базовой части к трубам или их сварному соединению.
18. Способ по п. 16 или 17, в котором по меньшей мере один нагревательный пояс устройства для нагрева содержит изолирующий слой, выполненный в виде теплоизолирующего слоя для защиты рук сварщика от прямого теплового контакта с теплопроводящим элементом.
19. Способ по любому из пп. 14-17, в котором блок управления устройства для нагрева содержит электрический кабель питания, имеющий электрический разъем питания для соединения с источником питания.
20. Способ по п. 19, в котором устройство для нагрева выполнено с возможностью соединения с источником питания переменного напряжения величиной в диапазоне 208-240 В.
21. Способ по любому из пп. 14-17, в котором устройство для нагрева содержит термопару, расположенную в указанном по меньшей мере одном нагревательном поясе и выполненную с возможностью измерения температуры в нем во время операции нагрева труб или их сварного соединения, при этом термопара функционально связана с цифровым контроллером, выполненным с возможностью включения и выключения контактора в зависимости от значения температуры, измеренного термопарой, для нагрева труб или их сварного соединения до заданных значений температуры в заданные моменты времени.
22. Способ по п. 21, включающий нагрев труб или их сварного соединения по меньшей мере до одной заданной температуры в течение заданного промежутка времени.
23. Способ по п. 21, в котором устройство для нагрева содержит регистрирующее устройство, расположенное в блоке управления, функционально связанное с цифровым контроллером и выполненное с возможностью записи по меньшей мере одного показания температуры, соответствующего температуре в указанном по меньшей мере одном нагревательном поясе во время операции нагрева, при этом указанное по меньшей мере одно показание температуры включает время, в которое температура была измерена.
24. Способ по п. 23, в котором устройство для нагрева содержит компьютер, выполненный с возможностью функциональной связи с регистрирующим устройством и с возможностью получения из регистрирующего устройства по меньшей мере одного показания температуры, записанного регистрирующим устройством во время операции нагрева.
25. Способ по п. 24, включающий получение по меньшей мере одного показания температуры, записанного регистрирующим устройством во время операции нагрева труб или их сварного соединения.
