CN1267245A - 非晶态连接管件的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于非晶态连接管件(110,111)的设备,此设备包括一双壳套体(2,113,114),双壳套体(2,113,114)可以绕所述管件(110,111)放置,壳限定一包含保护气体和一加热件(1,129)的密封的内流体腔(11,121)以及围绕内流体腔(11,121)的一外流体腔(9,119),以减小在非晶态连接过程中发生爆炸的危险。

Description

非晶态连接管件的设备
本发明涉及一种非晶态连接管件的设备。
在建造石油和天然气井的过程中，经常要连接大量的管件。通常这由螺栓连接。这种结构的一个缺点是由于尤其是在包含腐蚀气体的高温、高压井中整个管件需要每几年就要更换，因此这种连接易于腐蚀。
如果省却连接，可以大大增加这种管件的寿命。
处理这个问题的一个方案是将管件焊在一起。但是，这在石油和天然气井的口部很危险。此外，通常的人工焊接不会产生均匀的金相组织，而且仍然存在腐蚀问题。
一种称为“非晶态连接”的连接金属零件的技术已成功用于自动化工业中。要连接的零件的表面磨成平行。一片金属合金则放置在机械地压在一起的零件之间。然后接头承受由感应加热器的局部加热。生成的组织具有几乎均匀的金相。
可以理解非常希望能用非晶态连接连接管件。但是，迄今为止技术上的难点在于必须将适于精加工车间的方法用于这样一个区域中，在此区域中存在易燃和易爆的气体混合物，而且其中加工车间的地板的刚度由一远离岸边的并且可以在深海和恶劣气候下连续运动的钻井平台代替。
英国专利说明书No.540,519公开了一种焊接装置，包括一环焰灯，环焰灯由一环形水冷却套包围，以在焊接过程中减小爆炸的危险。
欧洲专利申请No.157131公开了一种用于焊接管端的双腔密封设备，它将惰性保护气体在径向和轴向注入围绕焊接区的未密封的区域，以防止所述焊接区受到空气污染。
欧洲专利申请No.418606公开了一种非晶态连接设备，其中将氮气保护气体注入一围绕粘接的管件端部的套中，而且还将氮气还注入粘接的管件的内部中，以基本在粘接区域中形成一无氧气的环境。
尽管公知的装置提供了防止爆炸危险的一些保护措施，但它们没有在石油或天然气井的口部的危险位置提供足够的保护措施。
本发明主要涉及减小爆炸的危险，同时进行非晶态连接。
根据本发明，提供了一种用于非晶态连接管件端部的设备，管件基本轴向对齐并由一种保护气体围绕，所述设备包括一套体，在使用中套体围绕相邻的管件端部放置，所述套体具有一内壳和一外壳，在使用中，内壳限定包含一加热件和保护气体的一密封的内流体腔，而外壳围绕内壳，这样在使用中在所述内、外壳之间限定一密封的外流体腔。
最好所述套体由两部分形成，这两部分可以滑动地安装在一支架上并可以压在一起形成所述套体，而且内壳设有流体连通装置，此装置在使用中允许流体以一种受控制的方式从内流体腔流入外流体腔中或相反。
在一个实施例中，设备包括引导保护气体进入内流体腔中的装置以及引导水进入外流体腔中的装置，而且流体连通装置包括一导管，在使用中导管可以将保护气体送入所述外流体腔中处于在外流体腔中水位之间一选定的高度，这样可以在内、外流体腔之间保持一选定的压力差。
在一变化的实施例中，设备包括一用于传导保护气体进入外流体腔中的入口管，一在内壳中使保护气体从外流体腔流入内流体腔中的开口以及一使保护气体离开内流体腔的出口管，而且最好设有压力控制装置，在使用中控制内、外流体腔中的压力以使内流体腔中的压力高于周围压力而外流体腔中的压力高于内流体腔中的压力。这样在外流体腔中形成一高压气体保护，以防止空气流入内流体腔以及防止热保护气体从内流体腔中泄露进入大气中。
适当地设备进一步包括一压紧器，在使用中压紧器插入由此设备粘接的管端内部，此压紧器包括一具有一与其每一端相邻的弹性压紧件的细长轴，使一惰性保护气体可以在所述弹性压紧件之间导入所述细长轴的一端中并离开所述细长轴的装置，以及使水可以在所述弹性压紧件之间导入所述细长轴的所述一端中并离开所述细长轴的装置。
可以理解外双壳体套和内压紧器在非晶态连接过程中提供了充分的防止爆炸危险的保护措施，因为它们能防止易爆气体到达加热件和受热的管件的区域，从而还可以防止热保护气体或其他流体逸入周围的大气中。
为了更好地理解本发明，下面参照附图以示例性的方式描述本发明。
图1是通过本发明一无定形设备的一竖直剖视图；
图2示出沿图1的II-II线的一放大图；
图3示出本发明设备的一示意性的横剖图，其中压缩的保护气体经过外流体腔射入内流体腔并排入大气中。
参照图1，示出了一通常由附图标记101表示的非晶态连接设备。
非晶态连接设备101包括一设有在槽(未示出)中滚动的轮子103的支架102。
两个夹具104和105设置在支架102的底部附近而另两个夹具106和107安装在支架102顶部附近并能由两个活塞-缸体组件108和109竖直移动。
在使用中，一下管110安装在滑动件(未示出)上。支架102则向下管110以及安装在其上的夹具104和105进给。
使用一升降机构或一定位装置将一上管111操纵到位并卡紧夹具106和107。然后致动活塞-缸体组件108和109以使上管111的下端与下管110的上端接近。上、下管相邻的端部基本对齐并加工，以使相邻的端部基本彼此平齐并平行。
然后将一薄片合金放置在下管110的上表面上而上管111由活塞-缸体组件108，109以一预定的压力向下作用，压力根据管件的成分和薄片的成分而变化。
在此位置可密封的加热设备112安装在管件上跨过薄片。可密封的加热设备112包括两个半边113和114，它们可以由液压压头进给和收回。具体地，半边114可以由液压压头115进给和收回而半边113可以由液压压头116进给和收回。
从图2中可见，半边113包括一内壳117和一外壳118，内、外壳在其之间限定一外流体腔119。内壳117和外壳118的表面都设有弹性密封件120，密封件120在半边114上的密封表面上配合并一起限定一围绕下管110和上管111的一套。弹性密封件120还分别围绕下管110和上管111延伸。如上所述，在下管110和上管111的端部已准备粘接后，将一片适当的合金放置在其之间并且上管111压在下管110上。
然后半边113和114移入管件110和111的两侧到位并由液压压头压在一起，以形成一由内壳117围绕的一内腔121。接着将两个半边113和114用六个机械紧固件(看不见)紧固在一起，以确保这些半边不会不经意地分开。
然后从入口管122向外流体腔119注入水(H2O)。水注入外流体腔119并通过出口管123离开。水连续通过外流体腔119泵出并且其存在由一传感器124检测，传感器124设计成如果没有水存在或水温超过一预定值后阻止此过程继续进行。
外流体腔119可以由排管125排空。设置一紧急水箱126和出水管道127，以便在紧急状态下例如一密封件的灾变失效导致水从外流体腔119中损失时使外流体腔119可以充满水。
内流体腔或腔体121由一股通过位于一感应加热环129下的一集管128的保护气体冷却。保护气体由气体供给管130提供，而供给管130又由气体管道131连在一压缩气体源上而由氩气管道132连在一氩气保护气体源上。
内腔121也设有两个气体排除管道133，134，它们同一出口集管135相连。出口集管135连在一氩气冲洗管136和一伸入完全位于出口管123之下的外流体腔119上。
一采样管137设置成可以从内腔121中连续采取和分析气体样品。
感应加热环129由通过入口管138泵出并通过出口管139离开的水单独地水(H2O)冷却。感应加热环129由重金属导管提供能量，重金属管由导线140和141表示。
当配置加热设备112时，沿上管111降下一内压紧器142。内压紧器的作用有三个方面，即：
(1)防止易燃的并可能是易爆的气体升高下管110；
(2)防止空气沿上管111进入；以及
(3)可以在接头附近形成一所需的大气环境。
由于这些目的，内压紧器142包括一在其每一端带有一弹性压紧件144，145的细长轴143。每个弹性压紧件144，145由压紧件控制管146连在一压缩水源上。当通过压紧件控制管146提供压缩水时两个压紧件144，145都膨胀并分别在细长轴143和上管111以及下管110之间形成一密封，从而形成一隔绝腔147。
细长轴的143中心设有一细长孔148，细长孔148连到一进水管149上并设有多个伸入隔绝腔147中的径向出口管150。一氩气供给管151也向下通过细长轴143并伸入紧位于弹性压紧件145之上的隔绝腔147中。
在设备112适当定位、内压紧器142定位、以及弹性压紧件144，145设置后，非晶态连接操作如下进行：
1.通过外流体腔119形成水流。
2.用空气清洗内腔121一固定时间并直到通过安全装置137采样的气体没有反应一不能接受的液态烃水平。
3.关闭空气供给并且使氩气通过内腔121以形成一对接头外部的氩气保护气体氛围。
4.当通过采样管137采取的气体样品指示出内腔121中的氛围基本是纯氩气时内腔121则准备完毕。在步骤3和4中氩气由氩气冲洗管136离开系统并且如果需要可以在其他场合回收利用。
5.在步骤2、3和4中，通过使氩气保护气体经过氩气供给管151而清洗隔绝腔147。氩气清洗隔绝腔147并由一出口管(看不见)离开。在此出口管一传感器检测经过出口管的气体中氩气的含量并禁止触发感应加热环129，直到通过出口管的气体基本为纯氩气。还将空气由管152导入上管111中，以从上管的内侧清洗任何可燃气体。
6.在此阶段，向感应加热环129施加能量以加热在接头范围中的金属至约1000-1300℃的范围一预定时间段。但是，安全需要使周围区域尽可能保持较冷。切记在整个加热过程中通过内腔121和隔绝腔147泵出氩气。此外，空气通过管152泵出。
通过关闭阀154和开口155使经过气体排除管133，134离开内腔121的氩气通过管道153。氩气通过水冒出并从而在进入大气之前冷却。此外，在内腔121中的氩气的压力可以通过改变管道153的出口在水面下的深度而得以控制。这样提供了一种简单有效的控制内腔121中压力的方法。
在必要的阶段后，停止感应加热并使接头冷却，同时继续氩气流动。
当接头充分冷却时停止通过氩气供给管道151供给氩气并且通过水入口管149导入冷却水。连续供给水直到管件110和111适当地冷却，此时停止由气体供给管130向内腔121供给氩气。还停止向外流体腔119供给水并通过打开排出管道125中的一阀156而排干外流体腔119。
然后撤回半边113和114。
只有当确定这样做安全时才停止由水入口管149向压紧器142供给水。然后降下并撤走弹性压紧件144，145。
接着从夹具104，105，106，107释放管件110并向后滚动非晶态连接设备101。
然后检验接头。如果检验成功，则抬起管件以使滑动件可以释放并降入孔中。然后施加滑动件并重复此过程。
可以对所述的实施例进行各种变化，例如，不用水而可以是空气或最好是参照图3所述的一种惰性气体通过外流体腔119循环。不用氩气清洗隔绝腔147，可以先用空气再用氩气清洗用于加热步骤。如果需要，在完成感应加热并且开始冷却后，在导入冷却水之前可以释放弹性压紧件144(而不是弹性压紧件145)。这可以快速排出任何产生的蒸汽并进一步清洗上管的内侧。
下面参见图3，一非晶态连接加热线圈由附图标记1表示。
非晶态连接加热线圈1围绕一管件110并由一具有第一半体3和第二半体4的套体2围绕。
每个半体3，4包括一内壳7和一外壳8，在其之间限定一环形外流体腔9。半体3和4设有密封件，当半体3和4夹在一起时密封件相互配合并形成密封的套体2。但是，为了便于理解本发明，可以假设在半体3，4之间有一个小间隙5。
在使用中，一入口管6将惰性保护气体送入内壳7和外壳8之间的环形外流体腔9中。环形外流体腔9保持在略大于周围压力P0的一压力P1下。一开口10允许部分惰性保护气体内壳7中的一内流体腔11中。然后惰性气体可以由一开口13从内流体腔11到达一隔绝出口管12，开口13设置成可以保持腔11中的压力P2在P1和P0之间。
在使用中，冷的惰性气体通过入口管6。部分冷的惰性气体进入环形外流体腔9中而由开口10和开口13在内流体腔11保持平衡。当感应加热器1工作时，加热内流体腔11中的惰性气体并且加热的惰性气体由隔绝的出口管12离开，在有选择地间接冷却后气体排入大气中一安全的区域中。
从箭头14，15可见，当在外壳8中发生泄露的情况下，冷却的惰性气体从环形外流体腔9通过缝隙进入周围空气，因为腔9中的压力P1高于周围压力P0。同样，当在内壳7中发生泄露的情况下，冷的惰性气体从腔9通过内壳7进入内流体腔11中。
可以理解由于公开的布置方式，热保护空气泄露到围绕套体2的大气中的可能性很小。
可以对公开的实施例进行各种变化，例如可以设置入口管6和开口10以帮助确保可以恒定地对环形外流体腔9补充冷惰性气体，从而减小小股热惰性气体积累在外流体腔9中的可能性。如果需要，可以提供几个入口管6和开口10。可以理解开口10和13可以由调节阀或减压阀形成。
如果需要可以提供流量和速度传感器，它们设置成如果检测出有较大的泄露的信号则可以停止非晶态连接过程并对整个区域灌注水。
这种传感器可以包括在入口管6和隔绝的出口管12的流量传感器。

Claims (9)

1.一种用于非晶态连接管件(110，111)端部的设备，管件(110，111)基本轴向对齐并由保护气体围绕，所述设备包括一套体(2，113，114)，在使用中套体围绕相邻的管件端部放置，所述套体(2，113，114)具有一内壳(7，117)和一外壳(8，118)，在使用中，内壳限定包含一加热件(1，129)和保护气体的一密封的内流体腔(11，121)，而外壳围绕内壳(7，117)，这样在使用中在所述内、外壳(7，117，8，118)之间限定一密封的外流体腔(9，119)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述套体由两部分(113，114)形成，这两部分可以滑动地安装在一支架(102)上并可以压在一起形成所述套体。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，内壳(7，117)设有流体连通装置(10，153)，此装置在使用中允许流体以一种受控制的方式从内流体腔(11，121)流入外流体腔(9，119)中或相反。
4.根据权利要求1所述的设备，包括引导保护气体进入内流体腔(121)中的装置(131，130，128)以及引导水进入外流体腔(119)中的装置，而且其特征在于，流体连通装置包括一导管(153)，在使用中导管可以在外流体腔中水位下一选定的高度将保护气体送入所述外流体腔(119)中。
5.根据上述任一项权利要求所述的设备，包括一在使用中可以操作的传感器(124)，如果在外流体腔(119)中没有充足的水或其他流体传感器可以禁止所述管件(110，111)的非晶态连接。
6.根据权利要求1所述的设备，包括一用于传导保护气体进入外流体腔(9)中的入口管(6)，一在内壳(7)中使保护气体从外流体腔(9)流入内流体腔(11)中的开口(10)以及一使保护气体离开内流体腔(11)的出口管(12)。
7.根据权利要求1或6所述的设备，进一步包括在使用中控制内、外流体腔(11，9)中的压力以使内流体腔(11)中的压力高于周围压力而外流体腔(9)中的压力高于内流体腔(11)中的压力的压力控制装置。
8.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，至少两个夹具(104，105，106，107)安装在所述支架(102)上，所述夹具中的一个(104)适于卡紧一下管(110)而所述另一个夹具(106)适于卡紧一上管(111)，装置(108，109)用于使所述一个夹具(106)相对于另一个夹具(104)移动，这样所述管件(110，111)可以彼此相对受压。
9.根据权利要求8所述的设备，进一步包括一压紧器(142)，在使用中插入由此设备粘接的管端内部，此压紧器包括一具有一与其每一端相邻的弹性压紧件(144，145)的细长轴(143)，使一保护气体可以在所述弹性压紧件(144，145)之间导入所述细长轴(143)的一端中并离开所述细长轴(143)的装置(151)，以及使水可以在所述弹性压紧件(144，145)之间导入所述细长轴(143)的所述一端中并离开所述细长轴(143)的装置(149)。
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