JP2019536633A - ファイバーレーザーベースパイプライン結合システムおよびパイプセグメントを設置する方法 - Google Patents

Abstract

開示されるパイプライン設置のためのレーザーベース方法は、各パイプの対向する壁端上にコロナ形成部を形成すること、隣接するパイプラインのコロナ形成部を連続して相互係合させること、および、所望のパイプライン長さに達するまで、コロナ形成部の間のジョイントを溶接することを含む。特に、本開示は、パイプ接続システムであって、コロナ様ジョイントを形成するために互いに絡み合うそれぞれの隣接するパイプセグメントの凹所壁端を含む、パイプ接続システムと、コロナ様ジョイントを溶接するように動作するレーザーシステムとに関する。

Description

本開示は、レーザーベースシステムおよびパイプラインを設置するための方法に関する。特に、本開示は、パイプ接続システムであって、コロナ様ジョイントを形成するために互いに絡み合うそれぞれの隣接するパイプセグメントの凹所壁端を含む、パイプ接続システムと、コロナ様ジョイントを溶接するように動作するレーザーシステムとに関する。

通常、パイプラインの敷設は、数メートル長でかつ十数ミリメートル壁厚のパイプの付加によって進行する。多くの産業用途において、オイルまたはガスを取出すために、オイルまたはガス貯留部またはプールに達するストリングを形成するために接合された、予め規定された長さおよび壁厚の金属パイプを使用することが一般的な慣行である。この技法は、ウェルが掘削される間に金属管を設置することによってウェルの内壁を徐々にケーシングすることを必要とする。所望の深さに達すると、より小さい径の内側金属パイプのストリングがケーシングの内部に配置される。その作業はチュービングとして知られる。外側または内側パイプが壁内に下げられるにつれて、その下方端は、直前に下げられたパイプの上部端に結合される。通常、接続は、以下ですぐに開示されるように、それぞれのパイプ端に取付けられ、互いに係合するねじ山付き上方および下方フランジによって行われる。

直前に下げられたパイプは、そのねじ山付き雌フランジがリグ床の上にわずかに延在する状態でボアホール内に部分的にあるだけである。ねじ山付き雄フランジを有する次のパイプは、持ち上げられ、その最下方端が直前のパイプの雌端の上にある状態でデリック内に垂直に保持される。上方パイプは、その後、隣接するフランジ上のねじ山が係合するように、雄ねじ山付きフランジが雌ねじ山付きフランジに入るように方向付けられた状態で下げられる、または、当技術分野でしばしば表現されるように、上方パイプは、下方パイプに「突き刺され（ｓｔａｂｂｅｄ）」、さらに回転される。パイプの整列は、時間がかかり、かつさらなるツールを必要とし、さらなるツールは全て、ストリング組立てレートを制限し、またもちろん、パイプラインシステムのコストを増加させる。

したがって、パイプ整列およびパイプ接続技法ならびに組立てを改善する必要性が存在する。

この必要性は、開示されるパイプ接続システムおよびパイプラインを組み立てるための方法によって満たされる。開示されるシステムは、現場でのパイプラインの組立てレートをかなり増加させるパイプ結合を特徴とする。

本開示の一態様によれば、パイプ接続システムは、パイプラインまたはストリングを形成するために共に接合されるパイプの対向端を含む。パイプ端は、コロナ形成部または単にコロナを共に画定する円周方向に離間した歯のそれぞれの配置構成を持つように構成される。それぞれの連続するパイプの対向するコロナの歯は、パイプを接触させると、互いにかみ合う。コロナ形成部は、係合するパイプが自己心出しするのを助け、それにより、パイプのストリングを組み立てるプロセスを促進させる。

それぞれの係合するパイプ端の歯は種々の形状およびサイズを有する。一実施形態において、結合するパイプの歯は互いにかみ合い、ロック結合を形成する。代替の実施形態において、歯は、ロックされずに組み合わされる。

本開示のさらに別の態様によれば、上記で開示した態様のうちの任意の態様にしたがって構成されるパイプおよび／または管からストリングを組み立てる方法は、現場におけるレーザー源の使用に基づく。平滑な端を有するパイプは、ストリングを組み立てる場所に送出される。パイプがボア内に順次誘導されるにつれて、それがケーシングストリングであれチュービングストリングであれ、パイプの端は、順次レーザー処理されて、それぞれのコロナ形成部を形成する。後縁の／後続のパイプは、その後、ボアから部分的に突出る前縁のパイプの歯配置構成にその歯がかみ合うように下げられる。絡み合ったパイプが、それぞれのコロナの歯が完全に重なった状態で同軸位置をとると、軌道上レーザーベース溶接組立体が起動されて、交互の突出部および谷を有するジョイントに沿って係合したパイプを溶接する。

好ましくは、溶接ジョイントの所望の強度を提供するのに単一溶接層で十分である。しかし、必要である場合、いくつかの層が形成され得る。方法は、ジョイントが溶接されるときにＸ線カメラがレーザー溶接トーチに追従することをさらに含む。いくつかの層において、溶接ジョイントは、こうして、各層が形成されると試験され得る。

開示される主題の上記および他の特徴ならびに利点は、添付図面と併せて特定の説明から容易に明らかになる。

現場で配備される本発明のレーザーベースパイプ溶接システムの例示的なブロックスキームである。 垂直に位置決めされたパイプを溶接するための、開示されるレーザー溶接組立体を示す図である。 開示されるコロナ構成を持つように形成されたパイプの係合の１つのステージを示す図である。 開示されるコロナ構成を持つように形成されたパイプの係合の１つのステージを示す図である。 開示されるコロナ構成を持つように形成されたパイプの係合の１つのステージを示す図である。 図３Ａ〜図３Ｃの完全に絡み合ったパイプを示す図である。 開示されるコロナ構成の１つの修正態様を示す図である。 開示されるコロナ構成の１つの修正態様を示す図である。 開示されるコロナ構成の１つの修正態様を示す図である。 開示されるコロナ構成の１つの修正態様を示す図である。 開示されるレーザー溶接組立体の別の例証である。

以下、開示されるシステムに対する言及を詳細に行う。可能である場合はいつでも、同じまたは同様の参照番号が、図面および説明において使用されて、同じまたは同様の部品またはステップを指す。語「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」および同様の用語は、必ずしも直接かつ即座の接続を示すわけではなく、中間要素またはデバイスを通した接続を同様に含む。図面は、簡略化された形態であり、決して厳密な縮尺ではない。

図１は、個々の構成要素を含むジョイント溶接組立体２５を備える現場の例示的な設備を示す。特に、組立体２５は、種々の構造要素をモニターし制御するために動作する中央処理ユニット（ＣＰＵ： ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）２を持つように構成される。例えば、ハイパワーファイバーまたは任意の他のタイプのレーザー、チラー、および圧縮機は、閉鎖ハウジング４内に格納される。ハウジング４内の各要素およびＣＰＵ２の間の通信は、可撓性管６であって、内部に、電力ケーブル、空気供給導管、および低電流制御ワイヤを保持する、可撓性管６によって実現される。ファイバーレーザーシステムの場合、送出ファイバー８は、種々のバルク光学部品、スキャナーなどを含むレーザーヘッド１１に出力されるレーザーを誘導する。レーザーヘッド１１の変位は、レーザーヘッドに送出される制御信号を１つまたは複数のケーブル１３によって出力するＣＰＵ２によって制御される。パイプの長さに沿うレーザーヘッド１１の変位と共に、ジョイントパイプの内周または外周の周りのレーザーヘッド１１の軌道上変位は、以下で論じる種々のコロナ様ジョイント構成を生成する。可撓性管６は、電力コード、空気導管、イントラネットケーブルなどを含む複数のケーブルを閉囲する。

図２を参照すると、システム２５は、限定することなく、水、オイル、または天然ガス送出パイプラインを溶接するために配備され得る。概して、パイプラインは、例えば、垂直ウェル内に下げられたそれぞれの先行するパイプセグメント１６を、後続のパイプセグメント１８であって、以下で論じるように、ウェル内に誘導され、ついには、先行するパイプと後続のパイプの対向する端が互いに係合し、したがって、レーザー溶接されるシームを画定する、後続のパイプセグメント１８と共に溶接することを含む。パイプラインを組み立てることは、所望の全体パイプライン長に達するまで継続する。

図３Ａ〜図３Ｃおよび図４を参照すると、開示される概念にしたがって、係合するパイプセグメント端は、それぞれのコロナ形成部２４、２６を持つように形成される。図３Ａに示すように、形成部２４および２６は、離間した突出部または歯３０および３０’のそれぞれの配置構成を有する。隣接する歯の各対は、その間に、谷または溝３２を画定する。歯および溝は、１つのコロナ形成部の歯が他のコロナ形成部のそれぞれの溝内に徐々に誘導されるように構成される。

開示されるプロセスにおいて、パイプセグメント１６がウェル内に固定された後、巻上げシステムは、後続のパイプセグメント１８をパイプセグメント１６に向かって下げ、それにより、コロナ２６の歯３０はそれぞれ、図３Ａに示すように、歯３０’のそれぞれの周縁と摺動接触する。パイプセグメント１８がさらに下に誘導されるにつれて、歯３０および３０’は、それぞれ図３Ｂおよび図３Ｃに示す中間位置を通して、係合するパイプのそれぞれの溝３２内に徐々に移動する。パイプセグメント１６および１８が互いに係合している間に、後続のパイプセグメント１８は、重力下でそれ自身を徐々に自己心出しする。歯３０および３０’が完全に互いにかみ合った状態で、パイプセグメント１６および１８は、同軸であり、それは、図４に示す係合位置に対応する。

図５Ａ〜図５Ｃを参照して、開示されるコロナ形成部は、種々の構成を有し得る。例えば、図５Ａは鋭利アペックスを有する三角形状の歯３０および３０’を有するコロナを示す。図５Ｂはチューリップ形成部を示す。図５Ｃは、それぞれが弓形先端を有する歯３０および３０’を特徴とする。図５Ｄは、それぞれが全体的に長方形形状を有する、係合する歯３０と３０’との間に画定された段差状形成部を示す。

係合する歯および溝は、相補的周縁を持つように形成される。係合するコロナ形成部の間の嵌合の密接性は、干渉量によって制御される。例えば、図５Ａは、コロナ形成部２４と２６との間の締結が摩擦によって達成されるように選択される、かみ合う歯の形状および寸法を示す。この結合において、コロナ形成部２６の歯がコロナ形成部２４のそれぞれの溝内に完全に入れ子にされると、パイプは互いに対してロックされる。しかし、ロックアクションは、図５Ｂおよび図５Ｃの実施形態によって例示されるように必要でない。

プレスフィット接続を可能にする種々の構成は、機械技術分野の専門家によく知られている。例えば、図５Ａに示すように、溝３２は、コロナ形成部２６の歯３０の先端のための底部に対するアクセスを提供するチャネル３６よりわずかに大きい底部３４を有する。チャネル３６の構成は、パイプセグメント１８が下げられてパイプセグメント１６と係合状態になるときに、パイプセグメント１８によって発生される外部力に応答して歯３０の先端がチャネル３６に摩擦貫入するように選択される。係合位置において、歯３０の先端は溝３２の底部に載る。

図５Ａ〜図５Ｄに見られ得るように、歯および溝はそれぞれ、三角形、弓形、および長方形から選択された断面を有する。パイプのそれぞれの端に異なって形作られた形成部の組合せを有することが可能である。

図６は開示されるプロセスの最終ステージを示す。ジョイント２２は、溶接場所に対して設けられるワイヤなどのフィラーと共にレーザービームによって溶接される。１つまたは複数のレーザーヘッド２０が、ジョイント２２の平面内で変位され、溶接が始まると、１つまたは複数のレーザーヘッド２０はジョイントを周回する。レーザーヘッドは、ジョイント２２の周りで環状に誘導されるとき、ジョイントのジグザグ幾何形状に追従する。

開示されるシステムおよび方法は、標準的なパイプライン組立て方法に勝るいくつかの利点を有する。開示されるコロナ結合組立体は、強固な油圧クランプシステムを必要としない。パイプラインが組み立てられるレートは、知られている従来技術の方法について典型的であるレートより実質的に高い。隣接するパイプの同軸性は、コロナ形成部が互いに係合するときに得られる。コロナ結合は、ジョイントにかかる曲げ荷重を、その荷重をパイプ壁の大きなエリアにわたって均一に分散させながら低減する。開示される構造によって生成される溶接ジョイントの強度は、知られている従来技術の方法の強度より大きい。例えば、ある制御された欠陥を有するコロナ溶接ジョイントは３０〜３４トン荷重をかけると破壊された。同じ欠陥を備える標準的なリング溶接ジョイントは１５〜２０トン荷重で破壊された。接続は、高い引張り荷重および圧縮荷重に耐えることが同様に可能でなければならない。引張り荷重は、ケーシングの最も上の接続において主に反映されかつケーシングの下方部分の重量によって引起され、下方部分の上でかつケーシングの垂直範囲に沿って離間する接続に作用する。さらに、掘削作業が進むときに障害物に遭遇する場合、接続は、しばしば、圧縮荷重を受け、その圧縮荷重は、上からケーシングに課されて、ドリルおよびケーシングが障害物に貫入し通過することを支援する。

開示されるレーザー溶接プロセスは、手動アーク溶接または金属不活性ガス溶接（ＭＩＧ： ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）などの従来の溶接方法と比較してシーム断面を大幅に低減し、より高い溶接レートの適用によって溶接時間を大幅に低減し、それにより、経済効率を改善する。

同様に、開示されるレーザービーム溶接は、溶接されたシームが、この溶接方法において、シームの深さと幅の大きい比によって特徴付けられるため、複雑なパラメータ調整の必要がなく、開示される垂直位置だけでなく、水平および角度位置をも含むいろいろな位置において良好な溶接結果を実現するために使用され得る。

上記説明および例は、開示されるコロナ係合によってパイプを結合することを含む、開示の主要な概念を示すために単に述べられている。コロナの開示される形状は、単に例示であり、容易に修正され得る。ただし、本開示の主要な概念が損なわれない場合に限る。したがって、本開示は、開示される概念の範囲内の全ての変形を含むと幅広く解釈されるべきである。

２ ＣＰＵ
４ 閉鎖ハウジング
６ 可撓性ケーブル
８ 送出ファイバー
１１、２０ レーザーヘッド
１３ ケーブル
１６、１８ パイプセグメント
２２ ジョイント
２４、２６ コロナ形成部
２５ ジョイント溶接組立体
３０、３０’ 歯
３２ 溝
３４ 底部
３６ チャネル

Claims (10)

1. パイプラインを形成する方法であって、
   複数のパイプをある場所に順次送出するステップであって、各パイプは、それぞれがコロナ形成部を有する対向する壁端の間に延在する、順次送出するステップと、
   所望のパイプライン長さを有するパイプラインを形成するために前記場所にパイプを連続して設置するステップであって、後続のパイプのコロナ形成部を重ね、それにより、隣接するパイプ間のジョイントを生成する、重ねるステップを含む、設置するステップと、
   前記パイプ間の結合を提供するために前記ジョイントをレーザー溶接するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記コロナ形成部が、前記順次送出するステップの前にまたは後に設けられる、請求項１に記載の方法。
3. 隣接するパイプが、垂直、水平、または角度位置で結合される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記コロナ形成部の係合中に前記隣接するパイプを自己心出しするステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. それぞれの後続のパイプのコロナ形成部が、前記ジョイントを溶接する前に互いにロック式に係合する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. パイプライン組立てシステムであって、
   それぞれが、対向する壁端の間に延在する長手方向壁を有する複数のパイプであって、各壁端はコロナ形成部を備え、前記コロナ形成部は、隣接するパイプの前記コロナ形成部がジョイントを形成するために互いにかみ合うように構成される、複数のパイプと、
   前記ジョイントを溶接するレーザービームを射出するように動作するレーザーと、
   を備える、パイプライン組立てシステム。
7. 隣接するパイプの前記コロナ形成部が、互いにロック式に係合する、請求項６に記載のパイプライン組立てシステム。
8. 前記コロナ形成部が、交互の歯および溝を持つように構成される、請求項６または７に記載のパイプライン組立てシステム。
9. 前記歯および対応する溝が、それぞれの相補的表面を有する、請求項８に記載のパイプライン組立てシステム。
10. 前記歯および溝がそれぞれ、三角形、弓形、および長方形、ならびにそれらの組合せから選択された断面を有する、パイプライン組立てシステム。