комплекс для прокладки подводных трубопроводов

Формула изобретения

1. Комплекс для прокладки подводных трубопроводов, включающий полупогруженный трубоукладочный корабль, установочный кран, сварочную машину, отличающийся тем, что сварочная машина содержит лазер, лазерную сварочную головку, включающее поворотное зеркало и фокусирующий объектив, причем лазерная сварочная машина или хотя бы только ее часть - лазерная сварочная головка, выполнены плавающими внутри вертикального конца трубопровода с возможностью ее ориентации относительно торца трубопровода.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что лазер и сварочная головка являются отдельными конструкциями сварочной машины, причем лазер расположен на трубоукладочном корабле, а плавающая сварочная головка снабжена автономным источником питания и смонтирована в корпусе с фиксаторами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области создания магистральных трубопроводов различного назначения и может быть использовано для прокладки трубопроводов под водой.

Известно, что в настоящее время актуальной задачей является создание трубопроводов под водой. Открытие в последнее время месторождения нефти и газа в подавляющем большинстве случаев происходило на морском шельфе, и поэтому потребовалась быстрая и дешевая по сравнению с танкерами транспортировка этих продуктов на сушу.

Кроме того, использование морского дна в качестве места расположения трубопроводов позволяет сделать их практически прямолинейными из-за отсутствия препятствий, встречающихся на суше - горы, населенные пункты, дороги и т.д., без компенсаторов продольного перемещения, так как температура на морском дне постоянна в любое время года.

Известна установка для сварки трубопроводов под водой [1]. Установка включает в свой состав полупогруженный трубоукладочный корабль, узлы установки труб (краны), сварочную машину - лазер с оптическими элементами, устройство схода трубопровода в воду - стингер. Изготовление и укладка трубопровода производится S-образным способом [2].

Установка работает следующим образом. Предназначенная для приварки труба с помощью кранов устанавливается в горизонтальном положении в специальные узлы и одни из ее торцов стыкуется и центрируется с торцом трубопровода. С помощью сварочной машины, использующей лазер, проводится приварка трубы к концу трубопровода. После процесса сварки трубоукладочный корабль перемещается вперед на длину одной трубы. При этом конец трубопровода перемещается вдоль узлов установки трубы до места сварки. Одновременно с этим часть трубопровода укладывается на дно. После того как торец трубопровода установится в место сварки, на освободившиеся узлы устанавливается следующая труба и далее осуществляется ее приварка к концу трубопровода. После этого технологический цикл строительства трубопровода повторяется.

Недостатком вышеуказанной установки является то, что в процессе создания трубопровода осуществляется его изгиб в двух местах - у поверхности моря, непосредственно после трубоукладочного корабля, и у дна моря, что может привести к возникновению дефектов в сварных швах и, следовательно, к опасности разрыва трубопровода.

Другим недостатком S-образного способа создания трубопровода является горизонтальное расположение сваренных труб и, следовательно, вертикальное расположение сварного шва. Условия формирования сварного шва в процессе сварки будут постоянно меняться из-за постоянно меняющегося его пространственного положения. Следовательно, механические свойства сварного шва будут также изменяться по его траектории, что также сказывается на эксплуатационных характеристиках строящегося трубопровода.

Известна установка для лазерной сварки трубопроводов [3]. В ней используется магазин лучепроводов, на которых горизонтально размещены предназначенные для приварки трубы. Недостатком данной установки является горизонтальное расположение труб, что требует для осуществления процесса сварки необходимости включения в состав установки дополнительного устройства поджима привариваемой трубы к концу трубопровода.

Другим недостатком является то, что для исключения прогибов трубы в магазине под собственным весом требуется фиксация ее в нескольких местах по ее длине.

Известна установка, использующая J-образный способ прокладки трубопровода по морскому дну [2], при котором в процессе изготовления и укладки на дно трубопровод изгибается только один раз. При этом способе на трубопрокладочном судне трубы сваривают и опускают в воду вертикальным способом. Сварочный кольцевой шов находится в горизонтальной плоскости и условия формирования шва при сварке неизменны. Соответственно механические свойства шва будут оставаться постоянными на всей его траектории.

Предназначенная для приварки труба устанавливается в вертикальном положении на торец конца трубопровода. С помощью сварочной машины осуществляется сварка кольцевого шва. После этого трубоукладочное судно перемещается вперед вдоль будущей трассы трубопровода. Конец трубопровода при этом перемещается вниз до места сварки. Далее с помощью крана берется следующая труба, устанавливается в вертикальное положение, подводится и устанавливается на торец конца трубопровода. После этой операции технологический цикл строительства трубопровода J-образным способом повторяется.

Установка для строительства подводного трубопровода J-образным способом является наиболее близким аналогом и поэтому выбирается за прототип.

Недостатком вышеописанного способа строительства трубопровода является его низкая производительность, обусловленная большой долей вспомогательного времени. После приварки очередной трубы необходимо взять краном новую трубу с места складирования, установить ее в вертикальное положение, переместить к трубопроводу, установить на его торец и только после этого произвести ее приварку к концу трубопровода.

Задачей, решаемой изобретением, является сокращение доли вспомогательного времени в технологическом цикле и тем самым повышение производительности при строительстве трубопровода.

Вышеуказанная задача реализуется тем, что в комплексе для подводной прокладки трубопроводов, включающем полупогруженный трубоукладочный корабль, установочный кран, стингер схода конца трубопровода, сварочную машину, которая включает в себя мощный лазер, источник питания, лазерную сварочную головку, включающую поворотное зеркало и фокусирующий объектив, причем сварочная головка расположена внутри вертикального конца трубопровода, непосредственно рядом с его торцом, комплекс имеет магазин с вертикально размещенными в нем трубами.

Возможны два варианта устройства сварочной машины: во-первых, когда в едином корпусе расположены и сварочная головка, и мощный лазер, и автономный источник питания, причем сварочная машина обладает эффектом положительной плавучести. Во-вторых, когда сварочная головка и мощный лазер расположены по разные стороны от магазина с трубами. Мощный лазер стационарен и расположен сверху магазина труб, в этом случае сварочная головка снабжена автономным источником питания, заключена в герметичный корпус и обладает эффектом положительной плавучести.

Расстояние от уровня воды в трубопроводе до свариваемого стыка равно расстоянию от уровня воды в трубопроводе до горизонтальной оси лазерного луча. Сварочная машина (сварочная головка) может иметь также собственный привод перемещения по внутренней поверхности трубопровода.

Плавающая сварочная машина (сварочная головка) имеет собственный привод перемещения по внутренней поверхности трубопровода или механизм фиксации, включающий зажим.

В процессе строительства трубопровода пространственное положение сварочной машины (сварочной головки) относительно трубоукладочного корабля остается неизменным.

Комплекс выглядит следующим образом (фиг. 1). На полупогруженном трубоукладочном корабле 1 располагаются установочный кран 2, магазин 3 предназначенных для приварки труб 4. Сварочная машина 5, включающая сварочную головку 7, расположена внутри трубопровода, рядом с его торцом. Кроме того, комплекс в своем составе содержит стингер 8 схода конца трубопровода. В случае, когда сварочная машина имеет отрицательную плавучесть, то она имеет собственный привод перемещения 9 (фиг. 2, 3), а также автономный источник питания 10. В том случае, когда сварочная машина имеет положительную плавучесть, то она имеет фиксаторы 11, фиксирующие сварочную машину или головку относительно сварочного стыка 12.

Сварочная машина имеет датчик определения местонахождения стыка 13.

Сварочная машина (сварочная головка) имеют привод вертикального перемещения 14 фокусирующего объектива 15 и поворотного зеркала 16, а также привод их вращения в горизонтальной плоскости 1. Магазин (см. также фиг. 4) предназначенных для приварки к трубопроводов труб имеет собственный привод вращения 18. Конец трубопровода 19 закреплен в держателях 20. Работой комплекса управляет общая система управления (не показана).

Комплекс работает следующим образом. По команде системы управления, расположенной на трубоукладочном корабле 1, установочный кран 2 устанавливает в магазин 3 вертикальные трубы 4. Привод вращения 18 обеспечивает подвод нужного гнезда места магазина к месту установки труб. После установки всех труб в магазин привод вращения подводит предназначенную для приварки трубу к концу закрепленного в держателях 20 трубопровода 19. При этом зазор между торцом привариваемой трубы и торцом трубопровода минимален. В случае, если по технологическим причинам необходимо отсутствие зазора между привариваемой трубой и концом трубопровода, по команде системы управления зажим трубы в гнезде магазина ослабляется и она под собственным весом скользит вниз до соприкосновения с торцом трубопровода. Оси трубы и трубопровода совпадают. В случае, если лазер размещен в сварочной машине, генерируемое лазером излучение направляется на поворотное зеркало 16, отражаясь от которого попадает в фокусирующий объектив 15. В фокусирующем объективе излучение фокусируется и направляется на свариваемый стык 12. Привод вращения 17 обеспечивает сварку кольцевого шва. В случае, если лазер 6 размещен над привариваемой трубой (фиг. 5), то генерируемое им излучение направляется вертикально вниз, внутри привариваемой трубы в сварочную головку 7, где попадает на поворотное зеркало и далее через фокусирующий объектив на свариваемый стык.

После сварки кольцевого шва трубоукладочный корабль 1 перемещается вперед вдоль будующей трассы трубопровода. При этом конец трубопровода вместе с приваренной трубой перемещаются вниз по держателям 20 и стингеру 8. В случае, если удельный вес сварочной машины или сварочной головки больше удельного веса воды, то с помощью собственного привода перемещения 9 сварочная машина или головка перемещаются вдоль опускаемого конца трубопровода, причем суммарное перемещение сварочной машины или головки и конца трубопровода равно нулю.

В случае, если сварочная машина или (в варианте) сварочная головка имеет положительную плавучесть, то сварочная машина или головка находится в плавающем состоянии внутри трубопровода и поднимается относительно торца конца трубопровода вместе с уровнем воды. Относительно корабля сварочная машина (сварочная головка) в это время неподвижна. Так как расстояние от уровня воды в трубопроводе до свариваемого стыка равно расстоянию от уровня воды до горизонтальной оси лазерного луча (размер A на фиг. 2), то фокусирующий объектив автоматически установится напротив свариваемого стыка.

Трубопровод в любом случае заполняется морской водой для проведения гидростатических испытаний (см. [2], стр. 53). Перемещение сварочной машины или головки происходит до того момента, когда сработает датчик положения стыка 13. Срабатывающие фиксаторы 11 жестко закрепляют сварочную машину или головку относительно трубопровода. После этого привод вертикального перемещения 14 опускает фокусирующий объектив 15 и поворотное зеркало 16 вниз, ниже уровня торца трубопровода с целью беспрепятственного подвода новой трубы. После этого вращения магазина подводит предназначенную для сварки трубу к торцу трубопровода и весь технологический процесс повторяется. Во время лазерной сварки установочный кран 2 устанавливает в освободившееся гнездо магазина новую трубу. Тем самым обеспечивается непрерывность технологического процесса строительства трубопровода и его высокая производительность. Снабжение электроэнергией всех систем сварочной машины или сварочный головки обеспечивается автономным источником питания (аккумулятором) 10. После сварки всех труб трубопровода непосредственно перед берегом последняя привариваемая труба опускается максимально низко в держателях и стингере и сварочная машина или сварочная головка извлекаются из трубопровода.

Список литературы

1. Патент ФРГ "Vorrichtung zum Anschweissen von Rohrstecren on eine Pipeline" DE 25-15923 C3 от 11.04.75, B 23 K 26/00.

2. Журнал "Потенциал" N 1, 1998, стр. 53 - 55.

3. Патент России "Установка для лазерной сварки трубопроводов", А.М. Забелин, N 2074798 от 16.08.94, B 23 K 26/06.