EA009297B1

EA009297B1 - Способ соединения трубчатых деталей кузнечной сваркой

Info

Publication number: EA009297B1
Application number: EA200701311A
Authority: EA
Inventors: Роберт Эндрю Олфорд; Энтони Томас Коул; Клистенис Димитриадис
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2007-12-28
Also published as: RU2297906C2; EA200701311A1; EP1463603B1; AU2002361240B2; BR0215332A; NO20043234L; DE60211559T2; ATE326308T1; WO2003055635A1; US7199325B2; OA12753A; CN100335226C; MY128610A; DE60211559D1; EP1463603A1; BR0215332B1; CN1610595A; US20050092715A1; NO331458B1; RU2004123626A

Abstract

Способ соединения трубчатых деталей кузнечной сваркой, содержащий этапы, на которых размещают концы (12, 12А) соединяемых трубчатых деталей на расстоянии до нескольких миллиметров друг от друга в камере с защитным газом, в которую нагнетают взрывобезопасную продувочную смесь текучих сред (например, N+Н); нагревают каждый конец (12, 12А) трубчатой детали в этом пространстве по меньшей мере тремя электродами (2-5, 2А-5А), прижатыми с разнесенными по окружности интервалами к стенке каждой трубчатой детали (1, 1А) рядом с ее концом (12, 12А) так, что электроды передают электрический ток (7) высокой частоты, по существу, в окружном направлении через сегмент трубчатой детали между электродами (2-5, 2А-5А); и перемещают равномерно нагретые концы трубчатых деталей по направлению друг к другу до формирования кузнечного сварного шва между нагретыми концами (12, 12А) трубчатых деталей.

Description

Публикация международной заявки на патент ΛΘ98/33619 раскрывает способ соединения применяемых на нефтяных месторождениях труб диффузионной сваркой, согласно которому концы труб нагревают индукционной катушкой внутри полости, заполненной защитным газом.

Европейский патент 0396204 раскрывает способ сварки трением скважинных труб, согласно которому вращают кольцо с высокой скоростью в полости, заполненной защитным газом, и концы труб прижимают к этому кольцу, в результате чего кольцо и концы труб сплавляются друг с другом.

В патенте США 5721413 раскрывается способ нагрева расположенных близко друг к другу участков двух труб путем нагрева каждого конца трубы парой диаметрально противоположных контактов, и контакты каждой пары расположены в конкретной пересекающейся конфигурации относительно контактов другой пары, чтобы уравнять нагрев концов труб.

Задачей изобретения является создание способа кузнечной сварки, который способен взаимно соединить концы трубчатых деталей с минимумом включений окислившегося металла и может безопасно и эффективно применяться в опасных зонах, например на морских нефте- и/или газодобывающих платформах или на морских буровых платформах для бурения нефтяных и газовых скважин, так что концы трубчатых деталей нагреваются, по существу, равномерно и возникает высококачественный кузнечный сварной шов, даже если трубчатые детали имеют неправильную форму.

Раскрытие изобретения

Способ соединения трубчатых деталей кузнечной сваркой по изобретению содержит размещение концов соединяемых трубчатых деталей на выбранном расстоянии друг от друга в пространстве, которое, по существу, заполнено продувочной смесью текучих сред; нагрев конца каждой трубчатой детали в указанном пространстве посредством высокочастотного электрического нагрева, причем используют по меньшей мере три электрода, которые прижимают с разнесенными по окружности интервалами к стенке каждой трубчатой детали рядом с концом трубчатой детали так, что электроды передают электрический ток высокой частоты, по существу, в окружном направлении через сегмент трубчатой детали между электродами; и перемещение концов трубчатых деталей друг к другу до формирования кузнечного сварного шва между нагретыми концами трубчатых деталей.

В предпочтительном варианте способа по изобретению концы трубчатых деталей нагревают по меньшей мере двумя парами электродов и электроды каждой пары прижимают к стенке трубчатой детали, по существу, в диаметрально противоположных положениях. Указанные разные пары диаметрально противоположных электродов на конце каждой трубчатой детали могут включаться (активироваться) попеременно.

Трубчатые детали могут иметь неправильную форму и/или могут образовывать многоканальную трубчатую сборку, и электроды могут устанавливаться с такими нерегулярными угловыми интервалами относительно продольной оси трубчатых деталей, чтобы концы трубчатых деталей нагревались, по существу, одинаково.

Во время фазы нагрева и до прижатия концов трубчатых деталей друг к другу для формирования кузнечного сварного шва предпочтительно пропускать вдоль нагретых концов труб продувочную смесь текучих сред, включая смесь, содержащую менее 25% по объему (об.%) восстановительной текучей среды, такой как водород или монооксид углерода, и более 75 об.%, по существу, инертного газа, такого как азот, диоксид углерода и/или благородный газ, например аргон. Продувочная смесь текучих сред предпочтительно содержит от 2 до 15 об.% восстановительной текучей среды и от 85 до 98 об.%, по существу, инертного газа.

Изобретение также относится к системе кузнечной сварки, содержащей захват для размещения концов соединяемых трубчатых деталей на выбранном расстоянии друг от друга в пространстве; средства нагнетания продувочной текучей среды для заполнения указанного пространства продувочной смесью текучих сред; электродную сборку для нагрева конца каждой трубчатой детали в указанном пространстве посредством высокочастотного электрического нагрева, причем электродная сборка содержит по меньшей мере три электрода, которые прижимаются с разнесенными по окружности интервалами к стенке каждой трубчатой детали рядом с концом трубчатой детали так, что при использовании электроды

- 1 009297 передают электрический ток высокой частоты, по существу, в окружном направлении через сегмент трубчатой детали между электродами; и средства привода захвата для прижимания нагретых концов трубчатых деталей друг к другу до формирования кузнечного сварного шва между нагретыми концами трубчатых деталей.

Захват может быть выполнен с возможностью удерживания концов трубчатых деталей на заранее определенном расстоянии друг от друга во время фазы нагрева и содержит механический упор, который выполнен с возможностью препятствования осевому перемещению нагретых концов трубчатых деталей во время процесса кузнечной сварки, когда нагретые концы трубчатых деталей перемещены вдоль заранее определенного расстояния друг к другу и вжаты друг в друга.

Использование трех или более разнесенных по окружности электродов в способе и системе по изобретению уменьшает неравномерность нагрева концов труб в результате перегрева стенки трубы в непосредственной близости от электрода и недостаточного нагрева стенки трубы на половине расстояния между электродами.

Электродная сборка может также быть выполнена с возможностью осуществления послесварочной термообработки соединенных кузнечной сваркой концов трубчатых деталей, при которой эти концы трубчатых деталей остывают в соответствии с заранее определенным графиком снижения температуры.

Эта сборка также может оснащаться инжекторами для принудительного нагнетания воды и/или воздуха с целью увеличения и/или управления скоростью остывания концов трубчатых деталей, сваренных кузнечной сваркой.

Целесообразным образом качество кузнечного сварного шва, сформированного между соединенными трубчатыми деталями, проверяют посредством метода электромагнитоакустического контроля сварных швов, который известен под названием ЕМАТ, при котором электромагнитные катушки размещают рядом с обеими сторонами кузнечного сварного шва и удерживают на заранее определенном расстоянии от трубчатых деталей во время процесса контроля. Отсутствие физического контакта между стенкой горячих трубчатых деталей и обмотками прибора ЕМАТ-контроля позволяет контролировать шов сразу после формирования шва кузнечной сваркой. Вышеуказанные признаки способа и системы по изобретению могут комбинироваться разными путями. Ниже следует более подробное описание некоторых предпочтительных вариантов воплощения способа и системы по изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Ниже в качестве примера следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает вид в поперечном сечении конца трубчатой детали, который нагревается двумя парами диаметрально противоположных электродов;

фиг. 2 изображает вид в перспективе трубчатой детали по фиг. 1 перед ее соединением с другой трубчатой деталью способом кузнечной сварки по изобретению;

фиг. 3 изображает вид в поперечном сечении конца многоканальной трубчатой детали, который нагревается двумя парами диаметрально противоположных электродов;

фиг. 4 изображает вид в перспективе многоканальной трубчатой детали, показанной на фиг. 3, перед ее соединением с другой многоканальной трубчатой деталью способом кузнечной сварки по изобретению; и фиг. 5-10 изображают различные конфигурации многоканальных трубопроводов, концы которых можно нагревать, по существу, равномерно с использованием сборок из трех или более электродов согласно изобретению.

Обращаясь к фиг. 1, там показан конец стальной трубчатой детали 1, вокруг которого размещены две пары диаметрально противоположных электродов 2, 3 и 4, 5. Первая пара электродов 2, 3 прижата к внешней поверхности трубчатой детали 1 и передает ток 6 высокой частоты через стенку трубчатой детали 1, как показано стрелками 7. Сборка ферритовых стержней 8 служит для увеличения плотности тока в непосредственной близости от концов трубчатой детали 1 и прилегающей трубчатой детали (не показана).

На фиг. 2 показано, как концы 12, 12А двух прилегающих трубчатых деталей 1 и 1А нагреваются, соответственно, двумя комплектами диаметрально противоположных электродов 2, 3, 4, 5 и 2А, 3А, 4А, 5А. Концы 12 и 12А трубчатых деталей во время фазы нагрева расположены на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга. Большее расстояние между обозначающими плотность тока черточками 7 и 7А в средней части между электродами 2, 3 и 2А, 3А иллюстрирует, что плотность тока в средней части между этими электродами меньше, чем плотность тока рядом с электродами 2, 3 и 2А, 3А. Это служит причиной возникновения разницы в скорости нагрева концов 12 и 12А трубчатых деталей и уменьшенного нагрева участка в средней части между электродами 2, 3 и 2А, 3 А. Для уменьшения неравномерности скорости нагрева электроды 2, 3 и 2А, 3А регулярно отводят от внешней поверхности трубчатых деталей 1, 1А, после чего другие электроды 4, 4А и 5, 5А прижимают к внешней поверхности трубчатых деталей 1, 1А и включают их для передачи тока высокой частоты через концы трубчатых деталей 1, 1А. За счет последовательной активации двух комплектов диаметрально противоположных электродов на конце каждой трубчатой детали снижается неравномерность нагрева концов трубчатых деталей.

- 2 009297

Альтернативно, электроды 2-5 и 2А-5А, показанные на фиг. 2, могут быть одновременно прижаты к разнесенным концам трубчатых деталей 1 и 1А, если управлять переменным током, например, с помощью тиристоров, так, чтобы во время первой части этого цикла пары диаметрально противоположных электродов 2А и 3 передавали положительный электрический ток, как показано знаком «+» на фиг. 2, а другие электроды 2 и ЗА передавали отрицательный электрический ток, как показано знаком «-» на фиг. 2. С другой стороны, во время второй части цикла переменного тока электроды 2А и 3 передают отрицательный электрический ток, а другие электроды 2 и ЗА передают положительный электрический ток на трубчатые детали 1 и 1А, тем самым нагревая концы 12 и 12А трубчатых деталей, по существу, одинаково.

Во время следующей фазы цикла нагрева электроды 2, 2А и 3, ЗА не активны, а другие электроды 4, 5 и 4А, 5А активируются подобным же образом.

Температуру нагретых концов 12, 12А трубчатых деталей контролируют с помощью инфракрасного датчика температуры, и, когда контролируемая температура достигает уровня, подходящего для выполнения кузнечного сварного шва, концы 12, 12А трубчатых деталей прижимают друг к другу так, чтобы сформировать кузнечный сварной шов. Концы 12, 12А трубчатых деталей могут быть профилированными и иметь меньшую толщину стенок по сравнению с другими участками трубчатых деталей 1, 1А для компенсации деформации нагретых до красного каления концов 12, 12А трубчатых деталей во время процесса кузнечной сварки с тем, чтобы сваренные трубчатые детали 1, 1А имели равномерные толщину стенок и внешний и внутренний диаметр.

Во время фазы нагрева и при перемещении концов трубчатых деталей 1, 1А друг к другу эти концы трубчатых деталей как снаружи, так и изнутри заключены в камеру 10, которая заполнена взрывобезопасной смесью продувочных газов, которая содержит более 75 об.% азота и менее 25 об.% водорода. Предпочтительная взрывобезопасная смесь продувочных газов для соединения трубчатых деталей 1, 1А из углеродистой стали содержит примерно 5 об.% водорода и примерно 95 об.% азота. Давление продувочного газа в той части камеры 10, которая находится снаружи относительно трубчатых деталей 1, 1А, выше, чем давление продувочного газа в части камеры 10, находящейся внутри трубчатых деталей 1, 1А, так что во время всего процесса нагрева продувочный газ течет вдоль концов 12, 12А трубчатых деталей 1, 1А, как показано стрелками 11, до тех пор, пока концы трубчатых деталей не будут прижаты и приварены друг к другу.

Водород в продувочном газе вступает в реакцию с кислородом в окалине, образовавшейся в результате окисления на концах 12, 12А соединяемых трубчатых деталей 1, 1А, так что окалина, по меньшей мере по существу, устраняется и чистые металлические детали прижимаются и привариваются друг к другу с минимальным количеством включений окислившегося металла.

Лабораторные эксперименты показали, что хорошее металлургическое соединение между трубчатыми деталями из углеродистой стали получается вышеописанным способом кузнечной сварки, когда продувочная текучая среда содержит примерно 5 об.% водорода и примерно 95 об.% азота. Эксперименты также подтвердили взрывобезопасный характер такого состава продувочного газа.

Предпочтительно концы трубчатых деталей зажаты в течение всего процесса кузнечной сварки в зажиме, который удерживает концы трубчатых деталей на заранее определенном расстоянии в 1-3 мм друг от друга во время фазы нагрева и который содержит механический упор, который препятствует осевому перемещению нагретых концов трубчатых деталей во время процесса кузнечной сварки, когда эти нагретые концы трубчатых деталей перемещены вдоль заранее определенного расстояния друг к другу и вжаты друг в друга, так что создается высококачественный кузнечный сварной шов без чрезмерной деформации нагретых концов трубчатых деталей.

Для удобства можно также включить электроды 2-5 и 2А-5А с тем, чтобы провести послесварочную термообработку сваренных кузнечной сваркой концов трубчатых деталей. Электрическая мощность 6, подаваемая на электроды во время послесварочной термообработки, будет меньшей, чем во время фазы нагрева до операции кузнечной сварки, и им можно управлять в соответствии с температурой, измеренной инфракрасным(и) датчиком(ами) температуры так, чтобы температура сваренных кузнечной сваркой концов трубчатых деталей понижалась по заранее определенному графику.

Качество полученного кузнечной сваркой шва можно проверить непосредственно после того, как этот шов был выполнен, посредством гибридного метода электромагнитоакустического контроля, который известен под названием ЕМАТ и описан в патентах США №№ 5652389; 5760307; 5777229 и 6155117. В методе ЕМАТ используется индукционная катушка, помещенная с одной стороны сварного шва, которая наводит магнитные поля, генерирующие электромагнитные силы в поверхности сварного шва. Эти силы затем создают механические возмущения, взаимодействуя с атомной структурой через процесс рассеяния. При электромагнитоакустическом генерировании преобразование происходит в поверхностном слое материала, т. е. поверхность металла является собственно преобразователем. Прием происходит обоюдно. Когда упругая волна сталкивается с поверхностью проводника в присутствии магнитного поля, в приемной катушке наводятся токи так же, как и при работе электрического генератора. Преимуществом этого метода ЕМАТ-контроля сварных швов является то, что передающая и приемная индуктивные катушки не должны контактировать со сваренными деталями. Таким образом, контроль качества может проводиться непосредственно после формирования полученного кузнечной сваркой шва,

- 3 009297 когда сваренные трубчатые детали еще слишком горячи для физического контакта с контрольным зондом.

Способ и система по изобретению особенно полезны для сварки нефтепромысловых и/или скважинных труб на нефте- и/или газодобывающих установках или рядом с ними. Такие трубы могут представлять собой эксплуатационные колонны длиной несколько километров, которые спускают в скважину после того, как секции колонны были сварены друг с другом.

Альтернативно, нефтепромысловые трубы могут представлять собой нагревательные трубы, которые спускают в нагревательную скважину, которая передает тепло в окружающий керогенный и/или нефтеносный пласт для снижения вязкости и/или пиролиза керогена и/или других углеводородов ίη δίΐιι. Такие нагревательные трубы могут состоять из пары соосных труб, которые образуют электрическую цепь, по которой передается электрический ток для производства тепла.

Предпочтительно, чтобы такие нагревательные или эксплуатационные колонны сваривались друг с другом, когда свариваемые трубы простираются, по существу, в горизонтальном положении на линии сварки труб на поверхности земли, после чего трубы изгибают и вставляют в нагревательную или эксплуатационную скважину. Подходящие способы изгиба и вставки описаны в публикациях международных заявок на патент АО 00/43630 и АО 00/43631, которые включены в настоящее описание путем данной ссылки. Предпочтительно скважинные трубы сваривают на горизонтальной сварочной установке рядом с устьем скважины и затем сгибают в большую петлю, которая образует дугу по меньшей мере в 270°, так, чтобы удаленный конец колонны труб проходил вертикально в устье скважины, а ближний конец колонны проходил горизонтально через сварочную установку. Альтернативно, скважинные трубы сваривают друг с другом горизонтально, а затем изгибают в большую петлю на небольшом расстоянии от устья скважины. Когда вся колонну собрана и изогнута в эту большую петлю, собранную колонну транспортируют, например, по рельсовым путям, к устью скважины и затем вставляют в устье скважины, как это описано в публикации международной заявки на патент АО 00/43631. Последняя из описанных технологий сборки труб позволяет собирать колонны труб на центральной сварочной установке, расположенной в центральной точке нефтяного месторождения, где несколько колонн могут собираться и храниться до момента их транспортировки к устью скважины, после чего их быстро вставляют в скважину или скважины, так что перебои в эксплуатации скважины или операциях нагрева сводятся к минимуму.

На фиг. 3 показан конец стальной многоканальной трубчатой детали 21, вокруг которой установлены две пары диаметрально противоположных электродов 22, 23 и 24, 25. Трубчатая деталь 1 содержит продольную и диагональную разделительную стенку 29, которая создает два полуцилиндрических канала 30 и 31 внутри трубчатой детали 21.

Первая пара электродов 22, 23 прижата к внешней поверхности трубчатой детали 21 и передает ток 26 высокой частоты через стенку трубчатой детали 21 и разделительную стенку 29, как показано стрелками 27, 27А. Комплект ферритовых стержней 28 служит для увеличения плотности тока в непосредственной близости от концов трубчатой детали 21 и прилегающей трубчатой детали (не показана). Когда первый диагональный комплект электродов 22, 23 активируют, большая часть электрического тока проходит через диагональную разделительную стенку 29, тем самым преимущественно нагревая конец указанной разделительной стенки 29, а когда после этого активируют второй диагональный комплект электродов 24, 25, большая часть электрического тока высокой частоты проходит через стенку трубчатой детали 21. Мощность, подаваемая к комплектам электродов 22, 23 и 24, 25, и длительность периодов, в течение которых комплекты электродов поочередно активируются, регулируется так, что концы стенок трубчатой детали 21 и разделительной стенки 29 нагреваются равномерно до заранее определенной температуры.

На фиг. 4 показано, как концы 32, 32А двух прилегающих многоканальных трубчатых деталей 21 и 21А нагревают, соответственно, двумя комплектами диаметрально противоположных электродов 22, 23, 24, 25 и 22А, 23А, 24А, 25А. Во время фазы нагрева концы 32 и 32А трубчатых деталей расположены на расстоянии до нескольких миллиметров друг от друга, чтобы создать емкостной эффект между концами 32, 32А трубчатых деталей, который стимулирует протекание электрического тока на концах 32 и 32А трубчатых деталей. Увеличенное расстояние между обозначающими плотность тока черточками 27 и 27А в средней части между электродами 22, 23 и 22А, 23А иллюстрирует, что плотность тока в средней части между этими электродами меньше, чем плотность тока рядом с электродами 22, 23 и 22А, 23А. Это вызывает изменение скорости нагрева концов 32 и 32 А трубчатых деталей и уменьшенный нагрев на участке средней части между электродами 22, 23 и 22А, 23 А. Для уменьшения неравномерности скорости нагрева электроды 22, 23 и 22А, 23А можно регулярно отводить от внешней поверхности трубчатых деталей 21, 21А, после чего прижимать к внешней поверхности трубчатых деталей 21, 21А другие электроды 24, 24А и 25, 25А и активировать их для передачи тока высокой частоты через концы трубчатых деталей 21, 21А. При последовательном включении двух комплектов диаметрально противоположных электродов на конце каждой трубчатой детали неравномерность нагрева концов трубчатых деталей снижается.

Все электроды 22-25 и 22А-25А, показанные на фиг. 4, могут одновременно прижиматься к разнесенным концам 21 и 21А трубчатых деталей, если переменным током управляют, например, с помощью тиристоров, так, чтобы во время первой части цикла электроды 22А и 23 передавали положительный

- 4 009297 электрический ток, как показано знаком «+» на фиг. 4, а другие электроды 22, 23, 24А и 25А передавали отрицательный электрический ток, как показано знаком «-» на фиг. 4. С другой стороны, во время второй части цикла переменного тока электроды 22А и 23 будут передавать отрицательный электрический ток, а другие электроды 22 и 23 А будут передавать положительный ток на трубчатые детали 21 и 21 А, тем самым нагревая их концы 32, 32А и концы диагональных разделительных стенок 29, 29А, по существу, равномерно.

Температуру нагретых концов 32, 32А трубчатых деталей и диагональных разделительных стенок 29, 29А можно контролировать с помощью пирометрического инфракрасного датчика температуры, и, когда контролируемая температура достигнет величины, пригодной для образования кузнечного сварного шва, концы 32, 32А трубчатых деталей и противоположные концы диагональных разделительных стенок 29, 29А прижимают друг к другу так, что получают кузнечный сварной шов. Концы 32, 32А трубчатых деталей могут быть профилированными и иметь меньшую толщину стенки по сравнению с другими участками трубчатых деталей 21, 21А с тем, чтобы компенсировать деформацию нагретых до красного каления концов 32, 32А трубчатых деталей во время процесса кузнечной сварки, так что сваренные трубчатые детали 21, 21А имеют равномерную толщину стенки и внешний и внутренний диаметр.

Во время фазы нагрева и при перемещении концов трубчатых деталей 21, 21А друг к другу эти концы трубчатых деталей как снаружи, так и изнутри заключены в камеру 33, которая заполнена взрывобезопасной смесью продувочных газов, которая содержит более 75 об.% азота и менее 25 об.% водорода. Предпочтительная взрывобезопасная смесь продувочных газов для соединения трубчатых деталей 21, 21А из углеродистой стали содержит примерно 5 об.% водорода и примерно 95 об.% азота. Давление продувочного газа в той части камеры 33, которая находится снаружи относительно трубчатых деталей 21, 21А, выше, чем давление продувочного газа в части камеры 33, находящейся внутри трубчатых деталей 21, 21А, так что во время всего процесса нагрева продувочный газ течет вдоль концов трубчатых деталей 21, 21А, как показано стрелками 34, до тех пор, пока концы трубчатых деталей не будут прижаты и приварены друг к другу.

Водород в продувочном газе вступает в реакцию с кислородом в окалине на концах 32, 32А соединяемых трубчатых деталей 21, 21А, так что окалина, по меньшей мере по существу, устраняется и чистые металлические детали привариваются друг к другу с минимальным количеством включений окислившегося металла.

Предпочтительно концы трубчатых деталей зажаты в течение всего процесса кузнечной сварки в зажиме, который удерживает концы трубчатых деталей на заранее определенном расстоянии в 1-3 мм друг от друга во время фазы нагрева и который содержит механический упор, который препятствует осевому перемещению концов трубчатых деталей во время процесса кузнечной сварки, когда нагретые концы трубчатых деталей перемещены вдоль заранее определенного расстояния друг к другу и вжаты друг в друга, так что создается высококачественный кузнечный сварной шов без чрезмерной деформации нагретых концов трубчатых деталей.

Для удобства можно включить электроды 22-25 и 22А-25А с тем, чтобы провести послесварочную термообработку сваренных концов трубчатых деталей. Электрическая мощность 26, подаваемая на электроды во время послесварочной термообработки, будет меньше, чем во время фазы нагрева до операции кузнечной сварки, и им можно управлять в соответствии с температурой, измеренной инфракрасным(и) датчиком(ами) температуры, так, чтобы температура сваренных кузнечной сваркой концов трубчатых деталей понижалась по заранее определенному графику.

На фиг. 5-10 показаны различные конфигурации многоканальных трубопроводов, которые можно нагревать, по существу, равномерно с помощью различных конфигураций распределенных по окружности электродных сборок.

На фиг. 5 показан конец цилиндрической трубчатой детали 50, внутренняя полость которой разделена на четыре канала двумя диагональными разделительными стенками 51, которые пересекают друг друга под прямым углом. Восемь электродов комплекта расположены с интервалом 45° вокруг внешней поверхности трубчатой детали 50, причем комплект содержит четыре основных электрода 52, показанных квадратами, и четыре вспомогательных электрода 53, показанных кружками. Основные электроды 52 и вспомогательные электроды 53 включают попеременно, и, когда основные электроды 52 включены, они пропускают электрический ток высокой частоты, главным образом, через концы диагональных разделительных стенок 51, а, когда после них включают вспомогательные электроды 53, они пропускают электрический ток высокой частоты через стенку трубчатой детали 50. Основные и вспомогательные электроды 52 и 53 включают последовательно до тех пор, пока концы трубчатой детали и разделительных стенок 51 не достигнут заранее определенной температуры, после чего нагретые концы трубчатой детали 50 и разделительных стенок 51 прижимают к прилегающему концу другой трубчатой детали (не показана), которая также имеет две диагональные разделительные стенки (не показаны), по существу, такие же, как описано со ссылками на фиг. 4.

На фиг. 6 показана многоканальная трубная сборка, которая содержит стальную трубу 61 большого диаметра, приваренную к стальной трубе 62 меньшего диаметра. Четыре электрода 64 комплекта прижаты с выбранными угловыми интервалами к внешним поверхностям труб 61 и 62 так, что концы труб 61 и

- 5 009297 нагреваются, по существу, равномерно электрическим током высокой частоты, наведенным в концах труб электродами 64. Достижению равномерности нагрева концов труб может в еще большей степени способствовать изменение электрической мощности и/или напряжения, подаваемых на разные электроды 64, и/или циклическая активация разных пар электродов 64.

На фиг. 7 показана многоканальная трубная сборка, которая содержит стальную трубу 71 большого диаметра, внутри которой приварена стальная труба 72 меньшего диаметра. Четыре электрода 74 комплекта прижаты с выбранными угловыми интервалами к поверхностям труб 71 и 72. Непрерывно чередующиеся полярности электродов 74 таковы, что через концы сегментов трубы между электродами 74 протекает, по существу, равномерный электрический ток высокой частоты, тем самым, по существу, равномерно нагревая концы обеих труб 71 и 72. Один из электродов 74 расположен внутри стальной трубы 71 большого диаметра с помощью оправки, которую можно вставлять в трубу 71 большого диаметра во время процесса кузнечной сварки и которая извлекается из трубы по завершении операции кузнечной сварки.

На фиг. 8 показана многоканальная трубная сборка, которая содержит стальную трубу 81 большого диаметра, внутри которой приварены две стальные трубы 82 и 83 меньшего диаметра. Концы труб нагревают комплектом из шести электродов 84, имеющих разные полярности, и тем самым наводят электрический ток высокой частоты в сегментах труб между соседними электродами. Электроды 84 могут включаться циклически и управляться тиристорами для, по существу, равномерного нагрева концов труб 81, 82 и 83 большого и меньших диаметров.

На фиг. 9 показана многоканальная трубная сборка, которая содержит стальную трубу 91 большого диаметра и две пары управляющих каналов 92 меньшего диаметра, которые проходят в стенке трубы 91 большого диаметра в диаметрально противоположных положениях. Шесть электродов 94 комплекта прижаты с выбранными угловыми интервалами к внешней поверхности трубы 91 большого диаметра так, что концы трубы 91 и прилегающей аналогичной трубы (не показана) нагреваются, по существу, равномерно, после чего концы труб сжимаются друг с другом и формируется кузнечный сварной шов.

На фиг. 10 показана многоканальная трубная сборка, которая содержит пакет из трех стальных труб 101, 102, 103, которые сварены друг с другом. Концы труб 101, 102, 103 нагревают, по существу, равномерно сборкой из трех электродов 104, которые включаются циклически как вращающийся трехфазный узел. Необязательно, можно установить комплект из трех электродов 105 рядом с теми местами, в которых стальные трубы 101, 102, 103 сварены друг с другом, для того, чтобы нагревать сегменты труб, расположенные в центральной области пакета. Сборки из электродов 104 и 105 могут включаться попеременно и управляться так, чтобы концы труб нагревались, по существу, равномерно.

Следует понимать, что знаки «+» и «-», показанные в иллюстрируемой электродной сборке, являются чисто иллюстративными и что полярности различных электродов меняются постоянно по синусоиде, когда электрический ток высокой частоты поступает через электроды в соседние сегменты стенок трубчатых деталей, концы которых подвергаются кузнечной сварке.

Предпочтительно используемая в способе продувочная смесь текучих сред содержит восстановительную текучую среду и инертный газ. При этом жидкий или твердый восстановительный агент намазывают или распыляют на концы трубчатых деталей, а инертный газ нагнетают в указанное пространство, после чего восстановительный агент, по меньшей мере частично, испаряется при нагреве концов трубчатых деталей и испарившийся восстановительный агент смешивается с нагнетаемым инертным газом с формированием на месте (ίη δίΐιι) продувочной газовой смеси, содержащей менее 25 об.% испарившегося восстановительного агента и более 75 об.%, по существу, инертного газа.

Более предпочтительно этот жидкий или твердый восстановительный агент содержит очищающую жидкость, такую как соляная кислота, и восстановитель, такой как перекись водорода, порошок буры и/или гидрид щелочного металла или бериллия.

Claims

1. Способ соединения трубчатых деталей кузнечной сваркой, содержащий размещение концов соединяемых трубчатых деталей на выбранном расстоянии друг от друга в пространстве, которое, по существу, заполнено продувочной смесью текучих сред; нагрев конца каждой трубчатой детали в указанном пространстве посредством высокочастотного электрического нагрева, причем используют по меньшей мере три электрода, которые прижимают с разнесенными по окружности интервалами к стенке каждой трубчатой детали рядом с концом трубчатой детали так, что электроды передают электрический ток высокой частоты, по существу, в окружном направлении через сегмент трубчатой детали между электродами; и перемещение концов трубчатых деталей друг к другу до формирования кузнечного сварного шва между нагретыми концами трубчатых деталей.

2. Способ по п.1, в котором концы трубчатых деталей нагревают по меньшей мере двумя парами электродов и электроды каждой пары прижимают, по существу, в диаметрально противоположных положениях к стенке трубчатой детали.

3. Способ по п.2, в котором разные пары диаметрально противоположных электродов на конце ка

- 6 009297 ждой трубчатой детали включают попеременно.

4. Способ по п.2 или 3, в котором две пары диаметрально противоположных электродов прижимают к стенке трубчатой детали с угловыми интервалами, по существу, 90°.

5. Способ по п.2 или 3, в котором три пары диаметрально противоположных электродов прижимают к стенке трубчатой детали с угловыми интервалами, по существу, 60°.

6. Способ по п.1, в котором конец каждой трубчатой детали имеет, по существу, цилиндрическую форму, и к стенке каждой трубчатой детали рядом с концом трубчатой детали прижимают три электрода с угловыми интервалами, по существу, 120° относительно центральной оси трубчатой детали, и при этом электроды, которые прижаты к стенкам прилегающих трубчатых деталей, образуют пары прилегающих электродов, которые расположены в непосредственной близости друг к другу и, по существу, в одной и той же осевой плоскости, и пары прилегающих электродов включают так, что эти электроды имеют, по существу, противоположные полярности.

7. Способ по любому предшествующему пункту, в котором трубчатые детали имеют неправильную форму и электроды размещают с выбранными угловыми интервалами относительно продольной оси трубчатых деталей так, что концы трубчатых деталей нагреваются, по существу, одинаково.

8. Способ по п.7, в котором трубчатые детали являются многоканальными трубчатыми деталями.

9. Способ по п.8, в котором каждая из многоканальных трубчатых деталей содержит охватывающую трубу и одну или более разделительных стенок, которые делят внутренность охватывающей трубы по меньшей мере на два полуцилиндрических сегмента.

10. Способ по п.9, в котором охватывающая труба содержит разделительную стенку, которая электропроводящим образом прикреплена к внутренней стенке охватывающей трубы, по существу, в диаметрально противоположных положениях относительно центральной оси охватывающей трубы.

11. Способ по п.8, в котором многоканальные трубчатые детали содержат охватывающую трубу и одну или более труб меньшего диаметра, расположенных внутри охватывающей трубы, и стенки охватывающей трубы и труб меньшего диаметра находятся в электрическом контакте друг с другом.

12. Способ по п.8, в котором многоканальные трубчатые детали образованы пакетами труб и стенки соседних труб находятся в электрическом контакте друг с другом.

13. Способ по любому предшествующему пункту, в котором продувочная смесь текучих сред содержит смесь, содержащую менее 25 об.% восстановительной текучей среды и более 75 об.%, по существу, инертного газа.

14. Способ по п.13, в котором продувочная смесь текучих сред представляет собой смесь восстановительной текучей среды, которая содержит водород, и/или монооксид углерода, и/или жидкий восстановительный агент, и, по существу, инертного газа, который содержит азот, и/или диоксид углерода, и/или благородный газ, такой как аргон.

15. Способ по п.13 или 14, в котором продувочная смесь текучих сред содержит от 2 до 15 об.% восстановительной текучей среды и от 85 до 98 об.%, по существу, инертного газа.

16. Способ по пп.13, 14 или 15, в котором жидкий или твердый восстановительный агент намазывают или распыляют на концы трубчатых деталей, а инертный газ нагнетают в указанное пространство, после чего восстановительный агент, по меньшей мере частично, испаряется при нагреве концов трубчатых деталей, и испарившийся восстановительный агент смешивается с нагнетаемым инертным газом с формированием ίη δίΐιι продувочной смеси текучих сред, содержащей менее 25 об.% испарившегося восстановительного агента и более 75 об.%, по существу, инертного газа.

17. Способ по п.16, в котором жидкий или твердый восстановительный агент содержит очищающую жидкость, такую как соляная кислота, и восстановитель, такой как перекись водорода, порошок буры и/или гидрид щелочного металла или бериллия.

18. Способ по любому из пп.1-17, в котором трубчатые детали представляют собой нефтепромысловые или скважинные трубы.

19. Способ по любому из пп.1-18, в котором качество кузнечного сварного шва, сформированного между соединенными трубчатыми деталями, контролируют посредством метода электромагнитноакустического контроля, который известен как ЕМАТ, и при этом индукционные катушки размещают с обеих сторон от кузнечного шва, причем в процессе контроля катушки удерживают на заранее определенном расстоянии от трубчатых деталей.

20. Система для использования в способе по п.1, содержащая захват для размещения концов соединяемых трубчатых деталей на выбранном расстоянии друг от друга в пространстве; средства нагнетания продувочной текучей среды для заполнения указанного пространства продувочной смесью текучих сред; электродную сборку для нагрева конца каждой трубчатой детали в указанном пространстве посредством высокочастотного электрического нагрева, причем электродная сборка содержит по меньшей мере три электрода, которые прижимаются с разнесенными по окружности интервалами к стенке каждой трубчатой детали рядом с концом трубчатой детали так, что при использовании электроды передают электрический ток высокой частоты, по существу, в окружном направлении через сегмент трубчатой детали между электродами; и средства привода захвата для прижимания нагретых концов трубчатых деталей друг к

- 7 009297 другу до формирования кузнечного сварного шва между нагретыми концами трубчатых деталей.

21. Система по п.20, в которой захват выполнен с возможностью удерживания концов трубчатых деталей на заранее определенном расстоянии друг от друга во время фазы нагрева и содержит механический упор, который выполнен с возможностью препятствования осевому перемещению нагретых концов трубчатых деталей в процессе кузнечной сварки, когда нагретые концы трубчатых деталей перемещены вдоль заранее определенного расстояния друг к другу и вжаты друг в друга.

Фиг. 1