CN106030177A - 管道铺设机器和管道铺设方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在沟渠(T)中铺设管道(C)的管道铺设机器，包括第一自推进底座(10)，驾驶舱(11)和动力系统(12)位于第一自推进底座上；在第一端(20a)与底座(10)连接并从底座侧向地延伸的梁(20)；连接在梁(20)的第二端(20b)处的第二移动底座(30)；在梁(20)上朝向并远离自推进底座(10)滑动的引导支撑元件(40)；自推进底座(10)在沟渠(T)边缘处的轨道(P)上行进，移动底座(30)在沟渠(T)底部上行进，且引导支撑元件(40)平移以将管道(C)搬运到沟渠(T)使得通过使机器沿前进运动方向(A)移动，管道的悬臂部分铺设在沟渠底部。本发明还涉及用如上的管道铺设机器铺设管道的相关方法。

Description

管道铺设机器和管道铺设方法
本发明涉及一种管道铺设机器以及用于在沟渠中铺设管道的相关方法。
本发明涉及用于铺设介质或大管道(如油管线、天然气管线)等的机械的领域。
通常，这些管道通过将在沟渠的边缘布置成彼此对齐的不同管状部分焊接起来而直接在铺设点被组装。在组装之后，通过将其放置在沟渠底部来掩埋给定长度(几十或几百米)的管道段，随后用回填土覆盖沟渠。
为了操纵管道的各部段并且将管道铺设在沟渠中，通常使用被称为管道铺设机器的机器。
已知的管道铺设机器通常包括连续履带安装框架，在连续履带安装框架上侧向地应用能够提升并操纵管道的吊杆(或起重机)。具有吊索、支架等的设备裹住管道以允许夹持并提升管道。
专利申请US2003/015488A1、WO2009/045323、US2010/108632A1中描述了这些管道铺设机器的示例。
影响这种类型的机器的一个主要问题涉及在铺设步骤期间当重达几百吨的管道处于远离机器重心的最远位置从而产生最大的倾覆力矩时存在倾覆的风险。
出于这些原因，为了铺设部分大尺寸管道，通常使用并排布置的几个管道铺设机器(高达10个或甚至更多个)，这些管道铺设机器基本同时提升管道并将其铺设在沟渠中。这意味着采购或租赁大量机器以及使用更多数量的操作员来驾驶它们成本高。
为了增强提升能力，一些这种机器设置有在吊杆所处一侧的相反侧上的、远离机器的重心移动的附件或配重。
例如在专利申请US3938669A、US5332110A和WO2008/010033(同一申请人)中描述了这种构造的管道铺设机器。
这些铺管机的承载能力尽管由于存在配重而更大，但是还是有限的，并且取决于机器的整体尺寸，而机器的整体尺寸由于与运输相关的问题通常无法超过给定值。
出于这些原因，为了减少使用的机器的数量并且因此降低作业成本，通常故意超出机器的承载极限来使用机器，因而增大了由倾覆所引起的事故的风险。
此外，用这种系统执行的管道铺设操作具有其他问题。
事实上，同时使用几个管道铺设机器要求在将管道铺设在沟渠中期间不同操作员向吊杆赋予的命令完美地同步。如果失去这种同步性，容易引起管道的摇摆运动，这继而甚至在符合静态承载极限时也会产生能够倾覆机器的动态力。因此，必须用特别缓慢的运动执行提升和铺设操作，这影响到完成作业所需的时间。
现有技术的管道铺设机器和相关的铺设方法的另一个限制包括必须在地面上的工人附近移动非常大的悬载重，需要工人来定向并控制管道在沟渠中的正确定位。
最后，这些现有技术的机器在沟渠边缘处的轨道上要求相当大的空间以便从地面拾取管道并且用于正常行进。
在本文中，本发明的目的是提出一种管道铺设机器，以及用于在沟渠中铺设管道的相关方法，其克服了以上提及的现有技术的问题。
具体地讲，本发明的目的是提出一种管道铺设机器，所述管道铺设机器允许以比现有技术的机器高的安全性铺设大尺寸和大重量的管道。
更具体地讲，本发明的目的是提供一种管道铺设机器，所述管道铺设机器能够在没有倾覆或遭受其他事故的风险的情况下比现有技术的机器承担较高的负载。
本发明的另一个目的是生产一种管道铺设机器，所述管道铺设机器在铺设操作期间易于管理和控制。
本发明的另外的目的是生产一种管道铺设机器，所述管道铺设机器能够易于在沟渠旁边处的有限宽度的轨道上操作。
本发明的又一个目的是提出一种用于铺设管道的方法，在相等负载的情况下，所述方法允许相对于现有技术的铺设方法采用减少数量的机器。
本发明的又一个目的是提出一种用于铺设管道的方法，所述方法允许减少铺设时间，并且因此降低作业成本。
最后，本发明的目的是通过减少悬空负载的操纵来增加建筑工地的安全性。
通过本发明的管道铺设机器实现如上所述的目的，所述管道铺设机器包括：
-第一自推进底座，驾驶舱和动力系统位于所述第一自推进底座上；
-梁，其在第一端与所述底座连接并且从所述底座侧向地延伸；
-第二移动底座，其连接在所述梁的第二端处；以及
-管道的引导支撑元件，其在所述梁上朝向并远离所述自推进底座滑动；
其中所述自推进底座能够在所述沟渠的边缘处的轨道上行进，所述移动底座能够在所述沟渠的底部上行进，并且所述引导支撑元件能够平移以将所述管道搬运到所述沟渠中使得通过使所述机器沿着前进运动方向(A)向前移动，管道的从所述引导支撑元件凸出的悬臂部分被铺设在所述沟渠底部上。
在本发明的一方面，所述引导支撑元件包括支架，所述支架部分包围定义其支撑区域的管道。
优选地，在本发明的另一方面，所述支撑区域的支架设置有辊，所述辊被构造成与所述管道的表面接触地滑动。
在本发明的另一方面，所述支架借助于托架安装在所述梁上，所述梁设置引导装置以及适于使所述托架在所述梁上平移的致动器装置。
在本发明的另一方面，该梁借助于滑槽以竖直滑动的方式与所述自推进底座连接。
在本发明的另一方面，所述移动底座能够相对于所述梁至少在竖直方向上平移。
在本发明的另一方面，所述移动底座借助于摆动臂与所述梁连接，所述摆动臂设置致动器以控制其运动。
在本发明的另一方面，根据前述权利要求的任一项，所述移动底座设置有驱动装置，例如，连续履带。
在本发明的又一方面，所述梁与所述自推进底座连接以便能够围绕基本竖直的轴线旋转。梁因此可以从工作位置朝着运输位置移动，其中，在所述工作位置，所述梁从所述自推进底座上基本垂直地凸出，并且在所述运输位置，所述梁基本与所述底座并排。
根据本发明的用于在沟渠中铺设管道的方法也实现了设定目标，所述方法至少包括以下步骤：
-使两个或更多个引导支撑元件以彼此相距预定距离的方式定位在所述管道的下方，其中最后一个引导支撑元件更靠近所述管道的头部；
-抬升所述引导支撑元件直到所述引导支撑元件与所述管道接触以支撑所述管道；
-使所述最后一个引导支撑元件在相对于前进运动方向的横向方向上平移直到所述支撑元件在所述沟渠的上方；
-使所述引导支撑元件在前进运动方向向前移动，从而使所述引导支撑元件相对于所述管道的轴线滑动；
使得凸出超过所述最后一个引导支撑元件的管道的悬臂部分弹性变形以便铺设在沟渠的底部。
在本发明的一方面，所述引导支撑元件搁置在梁上滑动，梁支撑在所述沟渠上方。
在本发明的另一方面，所述引导支撑元件借助于与所述梁的第一端连接的第一自推进底座并且借助于与所述梁的第二端连接的第二移动底座沿着所述管道的轴线平移。
在本发明的另一方面，在抬升所述引导支撑元件之后，所述管道被夹持在所述引导支撑元件中。
更具体地讲，在前述步骤中，抵靠所述管道的表面搬运至少一个爪。
在本发明的又一方面，所述引导支撑元件围绕基本竖直或水平的轴线旋转，以使所述引导支撑元件在铺设操作期间适配管道的轴线的方向。
从根据如附图所示的管道铺设机器的优选而非排他性的实施例的描述本发明的另外的特征和优点将更加清楚，其中：
-图1是根据本发明的管道铺设机器的立体图；
-图2是图1的管道铺设机器的平面图；
-图3是根据本发明的管道铺设机器的侧视图，其中移动底座位于沟渠的底部上；
-图4a和图4b分别是根据本发明的引导支撑装置的主视图和侧视图；
-图5是根据本发明的管道铺设机器处于运输或操纵构造的平面图；
-图6a至图6d是示出了根据本发明的方法的在沟渠中铺设管道的步骤的另外的平面图；
-图7是根据本发明的铺设管道的步骤的立体图；
-图8是在根据本发明的铺设管道的步骤中沟渠的剖视图。
参照附图，管道铺设机器1包括自推进底座，其总体上用10表示，驾驶舱11安装在自推进底座上。通过动力系统12、优选借助于至少一个连续履带13、或者可替代地借助于车轮或适用于粗糙地面和/或具有减小的粘性(泥土、烂泥等)的其他滚动机构，使所述自推进底座10在前进运动方向A上运动。
根据本发明的优选方面，驾驶舱11和动力系统12安装在平台14上，继而由所述连续履带13支撑。驾驶舱11优选通过第五个车轮(附图中未示出)与所述平台14连接，这允许围绕竖直轴旋转，使得操作员可以面对前进运动方向A和铺设管道的沟渠。
根据本发明，动力系统12可以包括与液压单元16连接的吸热引擎15，该吸热引擎继而包括需要朝着机器的致动器(液压缸、液压马达等)供给液压油的各种设备(液压泵、阀门等)。
有利地，所述吸热引擎15能够可拆卸地耦接至液压单元16以便在故障事件中易于用另一个马达替换，并且例如，使机器适应操作机器的国家的标准(排放物、噪声等)。
为了便于安装和拆卸，所述吸热引擎15设置于安装在平台14上的优选隔音的外壳中，并且可以借助于万向轴等与液压单元16连接。
在本发明的一方面，提供了与自推进底座10固定或活动地连接并且从其侧向凸出的至少一个梁20。
更详细地讲，所述梁20可以做成与平台14一体或者与连续履带13一体，或者可替代地可以与这些元件连接以便能够围绕相对于地面的基本竖直或水平的轴线旋转。
在优选变形中，梁20通过枢转元件17与自推进底座10连接，该枢转元件被构造成使所述梁围绕基本竖直的轴线Z1旋转(图3)。
所述枢转元件17可以在工作位置中被阻挡，梁在此位置从自推进底座10基本垂直地凸出(图1)，并且可以被释放以允许梁朝着运输位置旋转，梁在此位置基本与所述底座并排(图5)。
有利地，梁可以借助于滑槽18等与枢转元件17连接，滑槽允许梁相对于自推进底座10竖直平移。
在优选实施例中，所述梁20包括一对型材22，这对型材在同一平面上并排布置并且与横向元件23联接。
如在下文将更显而易见的是，梁20的长度可以根据管道的尺寸和沿着沟渠旁边的履带的宽度变化；通常，梁的长度在3米与10米之间。
根据本发明，在相反端20b，设置了移动底座30，该移动底座适于在机器的自由前进运动中以及在铺设管道期间支撑所述梁20。移动底座30因此被构造成与自推进底座10一体移动，用于在地面上进一步支撑以便为机器提供稳定性。所述移动底座30设置有驱动装置，例如，液压马达等。
根据优选变型，所述移动底座30包括至少一个连续履带31，但是能够可替代地设置有允许其在粗糙地面上移动的等效装置。
根据本发明，所述移动底座30可以相对于梁20至少在竖直方向上移动，以便相对于自推进底座10的平面改变其承载平面。
由于这种特征，管道铺设机器既可以通过自推进底座10和移动底座30(即，通过位于同一水平的部分10和30)在水平平面上行进，或者例如当在沟渠T附近行进时，通过在沟渠的边缘处的轨道P上行进的自推进底座10以及在此沟渠的底部上行进的移动底座30在不同水平上向前移动。
为此，根据可行的变型，移动底座30通过摇臂32与梁20连接。详细地讲，所述摇臂32可以包括一端枢转到所述梁20并且相反端枢转到所述移动底座30的一个或多个杆32’。所述杆32’例如在第一端32a枢转到连续履带31的底座33并且在第二端32b枢转到与梁20的端部20b连接的板34。
臂32的摇摆(即，其在枢转点旋转)允许移动底座30的高度位置相对于自推进底座10变化。
为了控制臂32的摇摆，并且因此提升或降低移动底座30，设置一端与板34连接并且相反端与臂32或连续履带31的底座33连接的致动器35、优选液压致动器。
当移动底座30在地面上时，所述致动器35也可以用于使梁20相对于自推进底座10竖直平移。
在优选变型中，板34在基本竖直的轴线Z2上枢转到梁20的端部20b。以此方式，当梁20围绕轴Z1旋转并且朝着自推进底座10运动时(图5)，连续履带31可以保持与前进运动方向A平行。这允许减小机器的侧向尺寸，使得机器可以在有限空间的区域中行进，例如，沿着沟渠的边缘处的轨道行进。
根据本发明，机器还包括管道的引导支撑元件，整体用40表示，该引导支撑元件被构造成在梁20上朝着并远离自推进底座10平移。
在实施例中，所述引导支撑元件40包括至少一个支架41，所述支架被构造成支撑抵靠支架的管道，从而至少部分包围其外表面。
更详细地讲，所述支架41包括具有由支撑区域43定义的外壳42的框架，所述支撑区域具有至少部分地为圆形的型材并且优选具有基本等于或小于180度的幅度。这允许所述支架在沿着竖直方向具有相对运动的外壳42中接收管道。
为了允许支撑元件40在铺设操作期间引导管道，并且因此使所述支撑元件40沿着管道的轴线滑动，支架41设置有在支撑区域43中圆周定位的多个辊45。
有利地，这些辊45布置成使得它们的外表面位于具有与待铺设的管道的半径相同的半径的圆弧上，使得待铺设的管道的重量分配在所有辊上。辊可以由金属制成，并且优选地涂有塑料，例如聚氨酯等。
在优选变型中，所述支架41还设置有适于夹持管道并维持管道在外壳42中定位的至少一个爪，或优选地一对爪44。所述爪44优选在支架41上枢转，并且借助于致动器(未示出)从它们允许管道占据外壳42并抵靠辊45的打开位置移动到它们包围管道并使管道与所述辊接触的位置。
如上所述，支架41可以借助于设置有在与型材22成一体的引导件24内滑动的轮子48的滑槽或托架46在梁20上滑动。
托架46的运动受到托架上的一个或多个马达、优选液压马达的控制，其具有与齿条啮合的小齿轮，该齿条与梁20的型材22一体化。
在本发明的一方面，支架41可以通过摆动支撑47与托架46连接，所述摆动支撑允许改变支架的倾角以在铺设操作期间适应管道轴线的方向。所述摆动支撑被构造成使支架41围绕与管道轴线垂直的基本水平的轴线X1旋转，并且优选地，还围绕基本竖直的轴线Z3旋转(图4b)。
参照图6a至图6d，以下在根据本发明的方法的铺设步骤的说明中所述的管道铺设机器的操作将更加显而易见。
参见图6a，图示了具有沟渠T的工地的一部分，必须在沟渠的底部铺设管道C。该管道在接合之后位于沟渠边缘的轨道P上，该轨道搁置在使其高于地面的安装座(未示出)上。距离地面的高度大体为50cm至150cm。
在第一步中，至少两个，但是优选三个或更多个管道铺设机器M1、M2、M3在与沟渠T的轴线平行的前进运动方向A上向前移动，此时，自推进底座10搁置在轨道P上并且移动底座30位于所述沟渠的底部。
在此步骤中，各个引导支撑元件40-1、40-2、40-3与管道C的轴线对齐，并且从管道的头部开始沿着所述轴线移动，直到它们定位在距彼此给定的距离D处，如图6b所示。
机器的数量(即，引导支撑元件40的数量)和它们之间的最大距离D取决于各种因素，例如，管道C的直径、其重量和弹性变形能力。在所示的示例中，示出了分别表示成M1、M2和M3的三个机器。
最后一个机器通常位于管道的头部，而其他机器分别比它领先预定距离D。
在前进运动和定位期间，引导支撑元件40位于管道C下方，使得后者部分容纳在支架41中、靠近但尚未与其接触。
详细地讲，第一机器M1的至少第一引导支撑元件40-1在插到管道C附近之后可以向上移动直到其与管道接触并且将管道提升几厘米。这允许去除下方的安装座以允许后方的其他机器自由地向前移动。
通过向上推动梁20并且因此推动支架41的相关致动器以及托架的摆动臂32操作引导支撑元件40的抬升。
随着第一机器M1在沟渠T的边缘的轨道上向前移动，管道C由于变形弯曲还可以与随后的机器的支架41接触。
当所有机器M1、M2和M3都处于彼此相距正确距离D的位置，剩余的引导支撑元件40-1、40-2、40-3被抬升到与第一机器相同的水平，以便支撑管道C。
如果支架41设置有爪44，这些爪可以在沿着管道定位引导支撑元件之前或者优选地在已经终止抬升步骤之后夹持。
在这一点，最后一个机器M3的引导支撑元件40-3在梁20上侧向地移动，直到引导支撑元件40-3在基本上与其轴线对齐的沟渠T的上方。
以此方式，管道C发生侧向变形，其中，前段C1与轨道P基本保持对齐，并且在机器M1的第一引导支撑元件与最后一个机器M3的引导支撑元件之间的第二段C2横向地布置在轨道P与沟渠T的中心轴线之间。
同时，插设在第一个和最后一个之间的任何另外的引导支撑元件40朝着沟渠侧向地平移使得所述管道段C2基本保持在弹性变形弯曲内，如图6c所示。
在此步骤结束之后，机器以相同的速度依次向前移动，使得引导支撑元件40以维持它们之间的距离D恒定的方式沿着前进运动方向A运动。
在前进运动期间，管道C在所述滑动支撑元件上滑动，使得留在最后一个机器M3后方的管道C3的悬臂部分由于管道的弹性变形而逐渐铺设在沟渠的底部上，如图6d、图7和图8所示。
以此方式，针对在沟渠边缘准备的管道C的整体长度连续进行铺设。
在完成作业之后，通过转动枢转元件17上的梁20并且同时借助于摆动臂32抬升所述移动底座30直到到达图5所示的紧凑构造，移动底座30可以返回到轨道P。
根据本发明，机器可以被设计成机器能够易于拆卸和组装以便在适用于陆地和海洋运输的标准容器中运输。机器至少可以分成主要部分，例如，一方面，平台14和驾驶舱11及动力系统12一起，并且分别为连续履带13、梁20、支架41、摆动臂32和连续履带31。
根据申请人进行的计算和测试，这些元件可以易于放入到标准大小的开敞集装箱中以供陆路和/或海洋运输，从而克服反而影响现有技术的管道铺设机器的问题。
根据上述说明将显而易见的是，本发明解决了影响现有技术的机器的问题，从而实现了设定目标。
详细地讲，根据本发明的管道铺设机器的构造设置用于在两个稳定的支撑点之间操纵管道，从而完全消除了倾覆的风险。
这允许在单个机器上装载更大的重量，从而减少所需的机器的总数，具有显著的经济优势。
此外，由于支撑装置的特定结构，不存在可能对负责铺设操作的地面上的操作员造成危险的悬空或潜在的不稳定的负载。
本发明的铺设机器和方法的另一个相关优点在于执行速度，并且尤其在于仅通过使机器向前移动就针对管道的整体长度连续铺设管道的可能性，而无需多次起吊管道然后释放管道，如反而在现有技术系统中发生的。
机器还更容易驾驶，因为与必须移动具有大量悬空负载的起重机的现有技术的机器相反，操作员仅需要关注机器的前进运动的方向和速度。
如上所述并图示的本发明容易进行各种修改和变化，所有这些修改和变化落入本发明的概念的范围内，此外，所有细节可以替换成其他技术上等效的元件。

Claims (13)

1.一种用于在沟渠(T)中铺设管道(C)的管道铺设机器，所述管道铺设机器包括：
-第一自推进底座(10)，驾驶舱(11)和动力系统(12)位于所述第一自推进底座上；
-梁(20)，其在第一端(20a)与所述底座(10)连接并且从所述底座侧向地延伸；
-第二移动底座(30)，其连接在所述梁(20)的第二端(20b)；以及
-管道的引导支撑元件(40)，其在所述梁(20)上朝向并远离所述自推进底座(10)滑动；
其中所述自推进底座(10)能够在所述沟渠(T)的边缘处的轨道(P)上行进，所述移动底座(30)能够在所述沟渠(T)的底部上行进，并且所述引导支撑元件(40)能够平移以将所述管道(C)搬运到所述沟渠(T)中使得通过使所述机器沿着前进运动方向(A)向前移动，管道的悬臂部分被铺设在所述沟渠的底部上。
2.根据权利要求1所述的管道铺设机器，其中所述引导支撑元件(40)包括支架(41)，所述支架部分包围定义其支撑区域(43)的管道。
3.根据权利要求2所述的管道铺设机器，其中所述支撑区域(43)处的支架(41)设置有辊(45)，所述辊被构造成与所述管道(C)的表面接触地滑动。
4.根据权利要求2或3所述的管道铺设机器，其中所述支架(41)借助于托架(46)安装在所述梁(20)上，所述梁设置引导装置(24)以及适于使所述托架在所述梁(20)上平移的致动器装置。
5.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述梁(20)借助于滑槽(18)以竖直滑动的方式与所述自推进底座(10)连接。
6.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述移动底座(30)能够相对于所述梁(20)至少在垂直方向上平移。
7.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述移动底座(30)借助于摆动臂(32)与所述梁(20)连接，所述摆动臂设置致动器(35)以控制其运动。
8.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述移动底座(30)设置有驱动装置。
9.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述移动底座(30)包括至少一个连续履带(31)。
10.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述梁(20)与所述自推进底座(10)连接以便能够围绕基本竖直的轴线(Z1)从工作位置朝着运输位置旋转，其中，在所述工作位置，所述梁从所述自推进底座(10)上基本垂直地凸出，并且在所述运输位置，所述梁基本与所述自推进底座并排。
11.根据前述权利要求的任一项所述的管道铺设机器，其中所述移动底座(30)沿着基本竖直的轴线(Z2)枢转到所述梁(20)。
12.一种用于在沟渠(T)中铺设管道(C)的方法，其中所述管道(C)最初布置在所述沟渠(T)的边缘，所述方法至少包括以下步骤：
-将两个或多个引导支撑元件(40-1、40-2、40-3)以彼此相距预定距离(D)的方式定位在所述管道(C)的下方，其中最后一个引导支撑元件(40-3)更靠近所述管道(C)的头部；
-抬升所述引导支撑元件(40-1、40-2、40-3)直到所述引导支撑元件与所述管道(C)接触以支撑所述管道；
-使所述最后一个引导支撑元件(40-3)在相对于前进运动方向的横向方向上平移直到所述最后一个支撑元件(40-3)在所述沟渠(T)上方；
-使所述引导支撑元件(40-1、40-2、40-3)在前进运动方向(A)上移动，从而使所述引导支撑元件相对于所述管道(C)的轴线滑动；
使得凸出超过所述最后一个引导支撑元件(40-3)的管道(C)的悬臂部分(C3)弹性变形以便被铺设在所述沟渠(T)的底部上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中采用至少三个引导支撑元件(40-1、40-2、40-3)，插设在所述最后一个引导支撑元件(40-3)与距离所述管道(C)的头部最远的第一引导支撑元件(40-1)之间的引导支撑元件(40-2)被设置成使得管道段(C2)不超过其弹性变形的极限。
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