KR20190086705A - 파이버 레이저-기반 파이프라인 커플링 시스템 및 파이프 세그먼트 설치 방법 - Google Patents

Abstract

파이프라인 설치를 위한 본 발명의 레이저-기반 방법은 각 파이프의 대향 벽 단부에 코로나 포메이션을 형성하는 단계, 인접한 파이프라인의 코로나 포메이션을 연속적으로 상호 결합시키는 단계, 및 소망의 파이프라인 길이에 도달하면 코로나 포메이션 사이의 접합부를 용접하는 단계를 포함한다. 특히, 본 개시내용은 코로나형 접합부를 형성하기 위해 서로 맞물리는 각각의 인접한 파이프 세그먼트의 오목한 벽 단부, 및 코로나형 접합부를 용접하도록 작동하는 레이저 시스템을 구비하는 파이프 연결 시스템에 관한 것이다.

Description

파이버 레이저-기반 파이프라인 커플링 시스템 및 파이프 세그먼트 설치 방법

본 개시내용은 파이프라인의 설치를 위한 레이저-기반 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 코로나(corona)형 접합부를 형성하기 위해 서로 결합되는 각각의 인접한 파이프 세그먼트의 오목한 벽 단부를 구비하는 파이프 연결 시스템, 및 코로나형 접합부를 용접하도록 작동하는 레이저 시스템에 관한 것이다.

통상적으로, 파이프라인의 설치는 길이가 수 미터이고 두께가 수십 밀리미터인 벽 파이프의 추가에 의해 진행된다. 많은 산업상 용도에서는, 그 추출을 위해 오일 또는 가스 저장조 또는 풀에 도달하는 스트링을 형성하기 위해 연결되는 미리정해진 길이 벽 두께의 금속 파이프를 사용하는 것이 일반적인 관행이다. 이 기술은 웰(well)이 천공되는 동안 금속 튜브를 설치함으로써 웰의 내벽을 점진적으로 피복처리할 것을 요구한다. 소망 깊이에 도달하면, 보다 작은 직경의 일련의 내부 금속 파이프가 케이싱 내부에 배치되며, 이 작동은 튜빙으로 알려져 있다. 외부 또는 내부 파이프가 웰 내로 하강함에 따라, 그 하단부는 이전에 하강된 파이프의 상단부에 커플링된다. 통상적으로, 연결은 각각의 파이프 단부에 부착되고 바로 아래에 개시하듯이 서로 결합되는 나사식 상부 및 하부 플랜지에 의해 달성된다.

이전에 하강된 파이프는 그 나사식 암형 플랜지가 리그(rig) 플로어의 약간 위에서 연장되는 상태로 보어 구멍 내에 부분적으로만 위치한다. 나사식 수형 플랜지를 갖는 다음 파이프는 그 최하단이 이전 파이프의 암형 단부 위에 있는 상태로 상승되어 유정탑(derrick) 내에 수직하게 유지된다. 상부 파이프는 이후 인접한 플랜지 상의 나사산이 결합하도록 수나사 플랜지가 암나사 플랜지 내로 향하는 상태로 하강되거나, 관련 기술분야에서 흔히 표현되듯이, 상부 파이프는 하부 파이프 내로 "찔러들어가며(stabbed)" 추가로 회전된다. 파이프의 정렬은 시간-소모적이고 추가 공구를 필요로 하며, 이러한 추가 공구 전체는 스트링 조립 속도를 제한하는 것은 물론이고 파이프라인 시스템의 비용을 증가시킨다.

따라서 파이프 정렬 및 파이프 연결 기술 및 조립체를 개선할 필요가 있다.

이 필요성은 개시된 파이프 연결 시스템 및 파이프라인 조립 방법에 의해 충족된다. 개시된 시스템은 현장에서의 파이프라인 조립 속도를 현저히 증가시키는 파이프 커플링을 특징으로 한다.

본 개시내용의 일 양태에 따르면, 파이프 연결 시스템은 파이프라인 또는 스트링을 형성하기 위해 함께 접합될 파이프의 대향 단부를 구비한다. 파이프 단부는 코로나 포메이션 또는 간단히 코로나를 형성하는 원주방향으로 이격된 치형부의 각각의 배치로 구성된다. 각각의 연속하는 파이프의 대향 코로나의 치형부는 파이프가 접촉할 때 상호 맞물린다. 코로나 포메이션은 일련의 파이프의 조립 공정을 용이하게 하는 결합 파이프 셀프-중심맞춤을 보조한다.

각각의 결합 파이프 단부의 치형부는 다양한 형상 및 크기를 갖는다. 일 실시예에서, 커플링 파이프의 치형부는 서로 맞물려 로킹 커플링을 형성한다. 대체 실시예에서, 치형부는 인터레이스 연결되지만 로크되지 않는다.

본 개시내용의 다른 양태에서, 상기 양태 중 임의의 것에 따라 구성된 파이프 및/또는 튜브로부터 스트링을 조립하는 방법은 현장에서의 레이저 공급원 사용에 기초하고 있다. 매끄러운 단부를 갖는 파이프는 스트링 조립 장소로 송달된다. 파이프가 보어 내에 순차적으로 안내됨에 따라, 그것이 케이싱이든 튜빙 스트링이든, 파이프의 단부는 순차적으로 레이저 처리되어 각각의 코로나 포메이션을 형성한다. 후미/후속 파이프는 이후 그 치형부가 보어로부터 부분 돌출하는 선도 파이프의 치형부 배치와 맞물리도록 하강된다. 맞물린 파이프가 완전히 중첩된 각각의 코로나의 치형부와 동축 위치를 취하면, 궤도형 레이저-기반 용접 조립체는 결합된 파이프를 교호적인 돌출부 및 골을 갖는 접합부를 따라서 용접하도록 작동된다.

바람직하게, 단일의 용접 층이 용접 접합부의 소망 강도를 제공하기에 충분하다. 그러나, 필요할 경우, 복수의 층이 형성될 수 있다. 상기 방법은 접합부가 용접됨에 따라 레이저 용접 토치를 추종하는 X-레이 카메라를 추가로 구비한다. 복수의 층인 경우에, 용접 접합부는 따라서 각각의 층이 형성됨에 따라 테스트될 수 있다.

개시된 요지의 상기 및 기타 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 구체적인 설명으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 현장에 배치된 본 발명의 레이저 기반 파이프 용접 시스템의 예시적인 블록도이다.
도 2는 수직하게 배치된 파이프를 용접하기 위한 개시된 레이저 용접 조립체의 도시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 개시된 코로나 구조로 형성된 파이프의 결합의 각 단계의 도시도이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3c의 완전히 맞물린 파이프의 도시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 개시된 코로나 구조의 각각의 수정예를 도시한다.
도 6은 개시된 레이저 용접 조립체의 다른 도시도이다.

이제 개시된 시스템을 상세하게 참조할 것이다. 가능한 한, 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 지칭하기 위해 동일하거나 유사한 참조 번호가 도면 및 명세서에서 사용된다. "커플링"이라는 단어 및 유사한 용어는 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 의미하지 않으며, 중간 요소 또는 장치를 통한 연결도 포함한다. 도면은 단순화된 형태이며 정확한 축척과는 거리가 있다.

도 1은 개별 부품을 구비하는 접합부 용접 조립체(25)가 제공된 현장의 예시적인 설비를 도시한다. 특히, 조립체(25)는 다양한 구조 요소를 감시 및 제어하도록 작동하는 중앙 처리 장치(CPU)(2)를 갖고 구성된다. 예를 들어, 고출력 파이버 또는 임의의 다른 형태의 레이저, 냉각기 및 압축기가 밀폐 하우징(4) 내에 저장된다. 하우징(4) 내의 각 요소와 CPU(2) 사이의 통신은 전력 케이블, 공기 공급 도관 및 저전류 제어 와이어를 내부에 구비하는 가요성 케이블(6)에 의해 실현된다. 파이버 레이저 시스템의 경우에, 송달 파이버(8)는 레이저 출력을 다양한 벌크 광학계, 스캐너 등을 구비하는 레이저 헤드(11)로 안내한다. 레이저 헤드(11)의 변위는 하나 이상의 케이블(13)에 의해 레이저 헤드로 송달되는 제어 신호를 출력하는 CPU(2)에 의해 제어된다. 접합부 파이프의 내주 또는 외주 주위에서의 레이저 헤드(11)의 궤도상 변위는 파이프의 길이를 따르는 그 변위와 더불어, 후술하는 다양한 코로나형 접합부 구성을 생성한다. 가요성 튜브(6)는 전원 코드, 공기 도관, 인트라넷 케이블 등을 포함하는 복수의 케이블을 둘러싼다.

도 2를 참조하면, 시스템(25)은 물, 오일 또는 천연 가스를 용접하여 송달 파이프라인을 조립하기 위해 임의의 제한 없이 배치될 수 있다. 일반적으로, 파이프라인은 예를 들어 수직 웰 내에서 하강된 각각의 선행 파이프 세그먼트(16)와 웰 내로 안내되는 후속 파이프 세그먼트(18)를 후술하듯이 선행 및 후속 파이프의 대향 단부가 서로 결합할 때까지 용접하여, 레이저 용접될 시임(seam)을 형성하는 것을 포함한다. 파이프라인의 조립은 소망의 전체 파이프라인 길이에 도달할 때까지 계속된다.

도 3a 내지 도 3c 및 도 4를 참조하면, 개시된 개념에 따라, 결합 파이프 세그먼트 단부는 각각의 코로나 포메이션(24, 26)으로 형성된다. 도 3a에 도시하듯이, 포메이션(24, 26)은 이격된 돌출부 또는 치형부(30, 30')의 각각의 배치를 갖는다. 각 쌍의 인접한 치형부 사이에는 골 또는 홈(32)이 형성된다. 치형부와 홈은 하나의 코로나 포메이션의 치형부가 다른 코로나 포메이션의 각각의 홈 안으로 점진적으로 안내되도록 구성된다.

개시된 공정에서, 파이프 세그먼트(16)가 웰 내에 고정된 후에, 권상 시스템은 도 3a에 도시하듯이 코로나(26)의 치형부(30) 각각이 치형부(30')의 각각의 주변 에지와 슬라이딩 접촉하도록 후속 파이프 세그먼트(18)를 파이프 세그먼트(16) 쪽으로 하강시킨다. 파이프 세그먼트(18)가 추가로 하향 안내됨에 따라, 치형부(30, 30')는 도 3b 및 도 3c 각각에 도시된 중간 위치를 통해서 결합 파이프의 각각의 홈(32) 내로 점차 이동한다. 파이프 세그먼트(16, 18)가 상호 결합하는 동안, 후속 파이프 세그먼트(18)는 그 자체를 중력 하에 점진적으로 셀프-중심맞춤한다. 치형부(30, 30')가 완전히 맞물린 상태에서, 도 4에 도시된 결합 위치에 대응하는 파이프 세그먼트(16, 18)는 동축적이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 개시된 코로나 포메이션은 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5a는 날카로운 정점을 갖는 삼각형 치형부(30, 30')를 갖는 코로나를 도시한다. 도 5b는 튤립 포메이션을 도시한다. 도 5c는 각각 아치형 선단을 갖는 치형부(30, 30')를 특징으로 한다. 도 5d는 각각 장방형 형상을 갖는 결합된 치형부(30, 30') 사이에 형성된 계단형 포메이션을 도시한다.

결합 치형부 및 홈에는 상보형 주변이 형성된다. 결합 코로나 포메이션 사이의 끼워맞춤의 타이트함은 간섭 정도에 의해 제어된다. 예를 들어, 도 5a는 코로나 포메이션(24, 26) 사이의 체결이 마찰에 의해 달성되도록 선택되는 맞물림 치형부의 형상 및 치수를 도시한다. 이 커플링에서, 코로나 포메이션(26)의 치형부가 코로나 포메이션(24)의 각각의 홈 안에 완전히 포개어질 때, 파이프는 서로에 대해 로크된다. 그러나, 도 5b 및 도 5c의 실시예에 의해 예시되듯이 로킹 작용이 필수적이지는 않다.

압입 연결을 가능하게 하는 다양한 구성은 기계 분야의 통상의 기술자에게 주지되어 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시하듯이, 홈(32)은 채널(36)보다 약간 더 큰 바닥(34)을 가지며, 코로나 포메이션(26)의 치형부(30)의 선단에 대해 바닥으로의 접근을 제공한다. 채널(36)의 구성은 파이프 세그먼트(18)가 파이프 세그먼트(16)와 결합하도록 하강됨에 따라 파이프 세그먼트(18)에 의해 발생되는 외력에 반응하여 치형부(30)의 선단이 채널(36)을 마찰식으로 관통하도록 선택된다. 결합 위치에서 치형부(36)의 선단은 홈(32)의 바닥에 얹혀진다.

도 5a 내지 도 5d에서 알 수 있듯이, 치형부와 홈 각각은 삼각형, 아치형, 장방형으로부터 선택되는 단면을 갖는다. 파이프의 각 단부에서 상이한 형상의 포메이션의 조합을 갖는 것이 가능하다.

도 6은 개시된 공정의 최종 단계를 도시한다. 접합부(22)는 용접 위치에 제공되는 와이어와 같은 용가재를 갖는 레이저 빔에 의해 용접된다. 하나 이상의 레이저 헤드(20)가 접합부(22)의 평면에서 변위되며, 용접이 시작되면, 단수 또는 복수의 레이저 헤드(20)가 접합부를 궤도 운동한다. 레이저 헤드가 접합부(22) 주위에서 환형으로 안내될 때, 레이저 헤드는 접합부의 지그재그 기하형태를 따른다.

개시된 시스템 및 방법은 표준 파이프라인 조립 방법에 비해 몇 가지 장점을 갖는다. 개시된 코로나 커플링 조립체는 강성 유압식 클램프 시스템을 요구하지 않는다. 파이프라인이 조립되는 속도는 공지된 종래 기술 방법에서 통상적인 속도보다 상당히 빠르다. 인접한 파이프의 동축성은 코로나 포메이션이 상호 결합할 때 획득된다. 코로나 커플링은 접합부에서의 굽힘 하중을 감소시키는 한편으로, 이들 하중을 파이프 벽의 넓은 영역에 걸쳐서 균일하게 분포시킨다. 개시된 구조에 의해 생성되는 용접 접합부의 강도는 공지된 종래 기술 방법의 그것보다 크다. 예를 들어, 특정한 제어된 결함을 갖는 코로나 용접 접합부는 30 내지 34톤 하중이 가해지면 파괴되었다. 동일한 결함을 갖는 표준 링 용접 접합부는 15 내지 20톤 하중에 의해 파괴되었다. 연결부는 또한 높은 인장 하중 및 압축 하중을 견딜 수 있어야 하는데, 인장 하중은 주로 케이싱의 최상위 연결부에 반영되며, 그 위에 위치하고 케이싱의 수직 연장부를 따라서 이격되어 있는 연결부에 작용하는, 케이싱의 하측 부분의 중량에 의해 초래된다. 또한, 천공 작업이 진행될 때 장애물과 마주할 경우에, 연결부는 드릴 및 케이싱이 장애물을 관통 및 통과하도록 보조하기 위해 위로부터 케이싱에 부과되는 압축 하중을 종종 받는다.

개시된 레이저 용접 공정은 수동 아크 용접 또는 금속 비활성 가스(metal inert gas: MIG) 용접과 같은 종래의 용접 방법에 비해서 시임 단면을 크게 감소시키고, 더 높은 용접 속도의 적용에 의해 용접 시간을 크게 감소시켜 경제적 효율을 향상시킨다.

또한, 개시된 레이저 빔 용접은 용접된 시임이 이 용접 방법에서 시임의 깊이 대 폭 비율이 큰 것을 특징으로 하기 때문에 복잡한 파라미터를 조절할 필요 없이, 개시된 수직 위치뿐만 아니라 수평 및 각도 위치를 포함하는 다양한 위치에서 양호한 용접 결과를 실현하기 위해 사용될 수 있다.

이상의 설명 및 예는 개시된 코로나 결합에 의한 파이프 커플링을 포함하는 본 개시내용의 주요 개념을 단지 설명하기 위해 제시된 것이다. 코로나의 개시된 형상은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 주요 개념이 타협되지 않는 한 쉽게 수정될 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 개시된 개념의 범위 내의 모든 변형예를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 파이프라인 형성 방법이며,
   복수의 파이프를 현장에 연속적으로 송달하는 단계로서, 각각의 파이프는 코로나 포메이션을 각각 갖는 대향 벽 단부 사이에서 연장되는, 단계; 및
   소망의 파이프라인 길이를 갖는 파이프라인을 형성하기 위해 현장에서 파이프를 연속적으로 설치하는 단계를 포함하고,
   상기 설치는 후속 파이프의 코로나 포메이션을 중첩하여 인접한 파이프 사이에 접합부를 생성하는 단계; 및
   파이프 사이에 커플링을 제공하도록 접합부들을 레이저 용접하는 단계를 포함하는, 파이프라인 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 코로나 포메이션은 송달 단계 이전에 또는 이후에 제공되는, 파이프라인 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인접한 파이프는 수직, 수평 또는 각도 위치로 결합되는, 파이프라인 형성 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코로나 포메이션의 결합 중에 인접한 파이프를 셀프-중심맞춤시키는 단계를 추가로 포함하는, 파이프라인 형성 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 후속 파이프의 코로나 포메이션은 접합부의 용접 이전에 상호 로크 결합되는, 파이프라인 형성 방법.
6. 파이프라인 조립 시스템이며,
   대향 벽 단부 사이에서 연장되는 종방향 벽을 각각 갖는 복수의 파이프로서, 각각의 벽 단부에는 인접한 파이프의 코로나 포메이션이 서로 맞물려 접합부를 형성하도록 구성된 코로나 포메이션이 제공되는, 복수의 파이프; 및
   레이저 빔을 방출하여 접합부를 용접하도록 작동하는 레이저를 포함하는, 파이프라인 조립 시스템.
7. 제6항에 있어서, 인접한 파이프의 코로나 포메이션은 상호 로크 결합되는, 파이프라인 조립 시스템.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 코로나 포메이션은 교호적인 돌출부 및 홈으로 구성되는, 파이프라인 조립 시스템.
9. 제8항에 있어서, 치형부 및 대응 홈은 각각 상보적인 표면을 갖는, 파이프라인 조립 시스템.
10. 파이프라인 조립 시스템이며,
    치형부와 홈 각각은 삼각형, 아치형, 장방형, 및 그 조합에서 선택되는 단면을 갖는, 파이프라인 조립 시스템.

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