NL1001662C2

NL1001662C2 - Method and device for welding.

Info

Publication number: NL1001662C2
Application number: NL1001662A
Authority: NL
Inventors: Martin David Collar
Original assignee: Stolt Comex Seaway Ltd
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1998-03-27
Also published as: NO954597L; GB2295345A; GB2295345B; NL1001662A1; GB9523192D0; GB9423011D0; NO954597D0

Description

Titel: Werkwijze en inrichting voor het lassen.Title: Method and device for welding.

De uitvinding heeft betrekking op het koelen van een onderdeel ter plaatse van een laszone teneinde lasomstandig-heden te beheersen.The invention relates to cooling a part at a welding zone in order to control welding conditions.

Laskenmerken en -kwaliteit worden beïnvloed door een 5 groot aantal faktoren, waaronder begrepen de temperatuur van de laszone. Oververhitting ter plaatse van de laszone kan leiden tot defecten en/of het creëren van zwakke plaatsen in een las en/of een onderdeel dat wordt gelast. Dit kan een belangrijk probleem vormen bijvoorbeeld indien een buislengte 10 moet worden gelast op een pijpleiding, die in bedrijf is.Welding characteristics and quality are influenced by a large number of factors, including the temperature of the welding zone. Overheating in the area of the welding zone can lead to defects and / or the creation of weak spots in a weld and / or a part being welded. This can be a major problem, for example, if a pipe length 10 is to be welded to a pipeline in operation.

Onder deze omstandigheden is het vaak gewenst de laszone voor te verwarmen, bijvoorbeeld door inductieve verwarmingsspiralen toe te passen en bestaat een grote ongelijkheid in warmteverlies tussen de hoofdpijpleiding, die sterk wordt gekoeld 15 door de inwendige produktstroom en de relatief ongekoelde aftakking. Dit kan resulteren in ongewenst hoge temperaturen in de aftakking tijdens het lasproces en/of tijdens het voorverwarmingsproces en dit kan verder worden verergerd wanneer het lasproces onder water wordt toegepast.Under these conditions, it is often desirable to preheat the welding zone, for example, by using inductive heating coils, and there is a large inequality in heat loss between the main pipeline, which is greatly cooled by the internal product flow and the relatively uncooled branch. This can result in undesirably high temperatures in the tap during the welding process and / or during the preheating process and can be further exacerbated when the welding process is used underwater.

20 Koelsystemen voor het beheersen van de temperatuur van een aftakking door middel van een extern aangebrachte koelman-tel zijn reeds voorgesteld. Een aantal voorstellen zijn beschreven in GB-A-89.00657.1 en hetgeen uit dit document bekend is wordt hierbij door verwijzing ingevoegd. Van deze 25 bekende systemen is echter gebleken dat zij een reeks nadelen hebben. In het bijzonder is gebleken dat het koelvermogen van systemen, waarin een koelvloeistof binnen een spiraalvormige pijp of mantel wordt gecirculeerd onder zekere omstandigheden onvoldoende is. Indien een koelvloeistof direkt over het 30 oppervlak van een aftakpijp stroomt is het lastig de integriteit van een noodzakelijke mechanische afdichting te verzekeren, die in een vijandige omgeving werkzaam moet zijn in de dichte nabijheid van de laszone.Cooling systems for controlling the temperature of a branch by means of an externally arranged cooling jacket have already been proposed. A number of proposals are described in GB-A-89.00657.1 and what is known from this document is hereby incorporated by reference. However, these known systems have been found to have a series of drawbacks. In particular, it has been found that the cooling capacity of systems in which a cooling liquid is circulated within a spiral pipe or jacket is insufficient under certain conditions. If a coolant flows directly over the surface of a branch pipe, it is difficult to ensure the integrity of a necessary mechanical seal, which must operate in a hostile environment in close proximity to the welding zone.

’001662 2001662 2

Volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding omvat een inrichting voor het afvoeren van warmte uit een eerste onderdeel tijdens het lassen een koelelement, dat is uitgerust met een warmte-overdrachtselement, welk laatste 5 element deformeerbaar is teneinde contact te maken met een oppervlak van het eerste element nabij een laszone teneinde warmte van het eerste element af te voeren.According to a first aspect of the present invention, a device for extracting heat from a first part during welding comprises a cooling element, which is equipped with a heat transfer element, the last element being deformable in order to contact a surface of the first element near a welding zone to dissipate heat from the first element.

Volgens een tweede aspect van de onderhavige uitvinding omvat een werkwijze voor het afvoeren van warmte uit een 10 eerste onderdeel tijdens het lassen het verschaffen van een koelelement, dat is uitgerust met een deformeerbaar warmte-overdrachtselement en het zodanig deformeren van het warmte-overdrachtselement dat dit element contact maakt met een oppervlak van het eerste element naij een laszone teneinde 15 warmte van het eerste element af te voeren.According to a second aspect of the present invention, a method for extracting heat from a first part during welding comprises providing a cooling element equipped with a deformable heat transfer element and deforming the heat transfer element such that element contacts a surface of the first element near a welding zone to dissipate heat from the first element.

Het warmte-overdrachtselement is bij voorkeur vervormbaar en tevens deformeerbaar. In gebruik volgt het warmte-overdrachtselement, indien het gedeformeerd is teneinde contact te maken met het oppervlak van het eerste onderdeel, 20 elke oneffenheid en/of oppervlakteruwheid van het oppervlak van het eerste onderdeel. Het warmte-overdrachtselement kan tegen het oppervlak van het eerste element worden gehouden met behulp van een aangebrachte kracht en/of druk; deze kracht of druk kan er toe leiden dat het warmte-overdrachtselement 25 nauwkeurig dezelfde vorm aanneemt als het oppervlak van het eerste element.The heat transfer element is preferably deformable and also deformable. In use, the heat transfer element, if deformed to contact the surface of the first part, follows any unevenness and / or surface roughness of the surface of the first part. The heat transfer element can be held against the surface of the first element using an applied force and / or pressure; this force or pressure can cause the heat transfer element 25 to take exactly the same shape as the surface of the first element.

Het warmte-overdrachtselement heeft bij voorkeur een lage thermische weerstand teneinde warmtegeleiding daardoorheen te vergemakkelijken. Het warmte-overdrachtselement is bij 30 voorkeur vervaardigd uit een materiaal dat een hoge thermische geleidbaarheid bezit; het materiaal kan vervormbaar zijn en de vorm hebben van een dun vel. Het warmte-overdrachtselement kan in metaal zijn uitgevoerd, het kan zijn vervaardigd van koper van hoge zuiverheid en kan volledig zijn gegroeid.The heat transfer element preferably has a low thermal resistance to facilitate heat conduction therethrough. The heat transfer element is preferably made of a material that has a high thermal conductivity; the material can be deformable and have the form of a thin sheet. The heat transfer element can be made of metal, it can be made of high purity copper and it can be fully grown.

35 Het warmte-overdrachtselement kan een wandgedeelte van het koelelement omvatten.The heat transfer element may comprise a wall portion of the cooling element.

1 0 0 1 6 6 2 31 0 0 1 6 6 2 3

Het koelelement is bij voorkeur expandeerbaar tussen een eerste positie, waarin het warmte-overdrachtselement op afstand ligt van het oppervlak van het eerste element en een tweede positie, waarin het warmte-overdrachtselement aanligt 5 tegen het oppervlak van het eerste element.The cooling element is preferably expandable between a first position in which the heat transfer element is spaced from the surface of the first element and a second position in which the heat transfer element abuts the surface of the first element.

Het koelelement kan hol zijn en een doorgang of koelkamer vormen, die geschikt is voor het daarin opnemen van een koelvloeistof. De koelvloeistof staat bij voorkeur in direkt contact met het warmte-overdrachtselement. De koelvloeistof 10 kan door de koelkamer circuleren, circulatie van de koelvloeistof vindt bij voorkeur plaats als deel van een koelcircuit, dat een gesloten koelcircuit kan zijn. De koelvloeistof kan bijvoorbeeld water zijn of een vloeistof op basis van water.The cooling element can be hollow and form a passage or cooling chamber suitable for receiving a cooling liquid therein. The coolant is preferably in direct contact with the heat transfer element. The cooling liquid 10 can circulate through the cooling chamber, circulation of the cooling liquid preferably takes place as part of a cooling circuit, which can be a closed cooling circuit. The coolant may, for example, be water or a water-based liquid.

Expansie van het koelelement kan worden teweeggebracht 15 door het uitoefenen van druk op de koelvloeistof binnen de koelkamer. Verende middelen kunnen met de koelkamer zijn verbonden teneinde te bevorderen dat deze zich vanuit een tweede positie samentrekt tot in of vrijwel in de eerste positie, wanneer de op de koelvloeistof aangebrachte druk 20 wordt weggenomen.Expansion of the cooling element can be brought about by applying pressure to the cooling liquid within the cooling chamber. Resilient means may be connected to the cooling chamber to promote its contraction from a second position into or near the first position when the pressure applied to the cooling liquid is released.

De inrichting kan verder een steunorgaan omvatten om het koelelement in gebruik te ondersteunen. Het koelelement kan gemonteerd zijn op of bevestigd aan het steunorgaan. Het steunorgaan kan een vrijwel stijve ondersteuning vormen tegen 25 welke de koelkamer zich in expansierichting kan af zetten. Het koelelement kan de vorm hebben van een expandeerbare zak of balg, die in gebruik geschikt is om zich in expansierichting af te zetten tegen het steunorgaan.The device may further include a support member to support the cooling element in use. The cooling element can be mounted on or attached to the support member. The support member can form a substantially rigid support against which the cooling chamber can settle in expansion direction. The cooling element may be in the form of an expandable bag or bellows, which in use is suitable for expanding against the support member in the expansion direction.

Het steunorgaan kan een materiaal bevatten dat in belang-30 rijke mate magnetisch permeabel is; daardoor wordt vermeden dat het steunorgaan wordt verwarmd door de inductief werkende voorverwarmingsspoelen, wanneer deze worden toegepast om de laszone voor te verwarmen. Het steunorgaan kan zijn vervaardigd uit een geschikt type roestvrij staal.The support member may contain a material that is substantially magnetically permeable; thereby avoiding heating of the support member by the inductively acting preheating coils when they are used to preheat the welding zone. The support member may be made of a suitable type of stainless steel.

35 Het warmte-overdrachtselement staat bij voorkeur in contact met het oppervlak van een eerste zijde van het eerste 1001662 4 onderdeel en een laswerktuig wordt aan de tweede zijde van het eerste element toegepast om het eerste element vast te lassen.The heat transfer element is preferably in contact with the surface of a first side of the first 1001662 4 part and a welding tool is used on the second side of the first element to weld the first element.

Het eerste element kan de vorm hebben van een holle buis of pijp. In dit geval kan de eerste zijde van het eerste 5 element het inwendige van de buis of pijp zijn en de tweede zijde kan de buitenzijde zijn.The first element can be in the form of a hollow tube or pipe. In this case, the first side of the first element can be the interior of the tube or pipe and the second side can be the outside.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding wordt in het hierna volgende nader toegelicht aan de hand van de tekening waarin: 10 fig. 1 een zijaanzicht is, gedeeltelijk in doorsnede van een inrichting volgens de uitvinding, geplaatst op een laszone; en fig. 2 een bovenaanzicht van de inrichting is.An embodiment of the device according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which: Fig. 1 is a side view, partly in section, of a device according to the invention, placed on a welding zone; and Fig. 2 is a top view of the device.

De inrichting 3, weergegeven in fig. 1 is bedoeld voor 15 toepassing in een lasproces, waarin een eerste onderdeel 1 wordt gelast op een tweede onderdeel 2. In dit voorbeeld is het tweede onderdeel 2 een stalen pijpleiding, waarin een (niet weergegeven) vloeistof aanwezig is en het eerste onderdeel 1 is een stalen aftakpijp, die op de pijpleiding 20 moet worden vastgelast. Het lasproces kan onder water worden uitgevoerd.The device 3 shown in Fig. 1 is intended for use in a welding process, in which a first part 1 is welded to a second part 2. In this example, the second part 2 is a steel pipeline in which a liquid (not shown) is present and the first part 1 is a steel branch pipe, which is to be welded to the pipeline 20. The welding process can be performed underwater.

Uitwendige inductieverwarmingsspoelen 5 en inwendige inductieverwarmingsspoelen 6 worden toegepast om een laszone 8 voor te verwarmen voordat het lasproces begint.External induction heating coils 5 and internal induction heating coils 6 are used to preheat a welding zone 8 before the welding process begins.

25 De inrichting 3 omvat een paar expandeerbare koelelemen ten 10, die worden ondersteund door een ondersteuningsorgaan in de vorm van een reactiemanchet 11. De reactiemanchet 11 wordt gevormd door een nagenoeg stijve buis, die in gebruik is gestoken in de aftakpijp 1 teneinde de koelelementen 10 aan te 30 brengen nabij een oppervlak van een eerste zijde, in dit geval de binnenzijde 12 van de aftakpijp 1. De reactiemanchet 11 is vervaardigd uit een geschikt type roestvrij staal. Het is in belangrijke mate magnetisch permeabel met betrekking tot de frequentie, welke voor de inductieve spoelen 5, 6 wordt toe-35 gepast teneinde de laszone voor te verwarmen. Op deze wijze zullen de inductiespoelen 5, 6 geen significante wervelstromen 1001662 5 induceren in de reactiemanchet 11, die anders de neiging zou hebben een hogere temperatuur te verkrijgen.The device 3 comprises a pair of expandable cooling elements 10, which are supported by a support member in the form of a reaction sleeve 11. The reaction sleeve 11 is formed by a substantially rigid tube, which is inserted into the branch pipe 1 in order to provide the cooling elements 10 to be arranged near a surface of a first side, in this case the inner side 12 of the branch pipe 1. The reaction sleeve 11 is made of a suitable type of stainless steel. It is substantially magnetically permeable to the frequency used for the inductive coils 5, 6 to preheat the welding zone. In this way, the induction coils 5, 6 will not induce significant eddy currents 1001662 5 in the reaction jacket 11, which would otherwise tend to obtain a higher temperature.

De reactiemanchet 11 levert een afscherming en een ondersteuning op, die de kans op fysieke beschadiging van de 5 koelelementen verkleint. Elk koelelement 10 ligt op afstand van een einde 14 van de reactiemanchet 11 teneinde een zekere mate van bescherming te bieden. Verder wordt het hanteren en positioneren van de koelelementen 10, in het bijzonder onder water, vergemakkelijkt door het aanbrengen daarvan op de 10 reactiemanchet 11.The reaction sleeve 11 provides a shield and a support, which reduces the chance of physical damage to the cooling elements. Each cooling element 10 is spaced from an end 14 of the reaction sleeve 11 to provide a degree of protection. Furthermore, the handling and positioning of the cooling elements 10, in particular under water, is facilitated by applying them to the reaction sleeve 11.

Elk koelelement 10 is uitgerust met een koelvloeistof-inlaat 15 en een koelvloeistofuitlaat 16. In gebruik wordt de koelvloeistof door een doorlaat of koelkamer 17 gevoerd, die wordt gevormd door het koelelement 10 vanaf de inlaat 15 tot 15 de uitlaat 16. In gebruik stroomt de koelvloeistof over en staat in direkt contact met een warmte-overdrachtselement 20.Each cooling element 10 is equipped with a cooling liquid inlet 15 and a cooling liquid outlet 16. In use, the cooling liquid is passed through a passage or cooling chamber 17, which is formed by the cooling element 10 from the inlet 15 to the outlet 16. In use, the coolant and is in direct contact with a heat transfer element 20.

Het warmte-overdrachtselement 20, dat in deze uitvoeringsvorm een oppervlak van het koelement 10 vormt, is vervaardigd uit een dun vel van volledig gegloeid koper van 20 hoge zuiverheid. In deze uitvoeringsvorm vormt het warmte-overdrachtselement 20 een intgegraal onderdeel van het koelelement 10.The heat transfer element 20, which in this embodiment forms a surface of the cooling element 10, is made of a thin sheet of fully annealed copper of high purity. In this embodiment, the heat transfer element 20 forms an integral part of the cooling element 10.

In gebruik zijn de reactiemanchet 11 en de koelelementen 10 aangebracht binnen de aftakbuis 1, zoals weergegeven in 25 fig. 1. De koelkamers 17 van de koelelementen 10 worden dan onderworpen aan een eerste hydrostatische druk door het onder druk brengen van de koelvloeistof. Dit doet de koelelementen 10 expanderen zodanig dat de warmte-overdrachtselementen 20 in nauw contact worden gebracht met het oppervlak van de 30 binnenzijde van de aftakbuis 1. Elk warmte-overdrachtselement wordt in nauw contact gebracht met en past nauwkeurig zijn vorm aan aan elke ruwheid en/of oneffenheid van het oppervlak teneinde een goed thermisch contact te verschaffen. De dikte en vervormbaarheid van het warmte-overdrachtselement 20 35 vergemakkelijkt de aanpassing daarvan aan het oppervlak van de aftakbuis 1 terwijl de hoge thermische geleidbaarheid daarvan de warmte-overdracht daardoorheen gunstig beïnvloedt. De 1001662 6 reactiemanchet 11 levert een reactiekracht op, die werkzaam is tegen de geëxpandeerde koelelementen 10.In use, the reaction sleeve 11 and the cooling elements 10 are disposed within the branch pipe 1, as shown in Figure 1. The cooling chambers 17 of the cooling elements 10 are then subjected to a first hydrostatic pressure by pressurizing the cooling liquid. This causes the cooling elements 10 to expand such that the heat transfer elements 20 are brought into close contact with the surface of the interior of the branch pipe 1. Each heat transfer element is brought into close contact with and precisely adapts its shape to any roughness and / or surface unevenness to provide good thermal contact. The thickness and ductility of the heat transfer element 20 35 facilitates its adaptation to the surface of the branch pipe 1 while its high thermal conductivity favorably affects the heat transfer therethrough. The 1001662 6 reaction sleeve 11 provides a reaction force which acts against the expanded cooling elements 10.

Wanneer de koelelementen eenmaal zijn geplaatst kan het lasproces beginnen. In dit geval wordt een lasgereedschap 5 (niet weergegeven) gevoerd langs een tweede zijde 13, d.w.z. de buitenzijde van het eerste onderdeel 1. Het aan de andere kant van de zijde 13 aanbrengen van het koelelement 10 vergemakkelijkt het hanteren en gebruiken van het lasgereedschap en verkleint de kans dat het koelelement 10 wordt 10 beschadigd tengevolge van fysiek contact.Once the cooling elements have been placed, the welding process can begin. In this case, a welding tool 5 (not shown) is guided along a second side 13, ie the outside of the first part 1. Installing the cooling element 10 on the other side of the side 13 facilitates handling and use of the welding tool and reduces the chance that the cooling element 10 will be damaged as a result of physical contact.

Tenminste een deel van de warmte, die tengevolge van het lasproces wordt gegenereerd, wordt afgevoerd uit de aftakbuis 1 via het warmte-overdrachtselement 20 naar de koelvloeistof, die zich in het koelelement 10 bevindt. De koelvloeistof loopt 15 in een gesloten koelcircuit (niet weergegeven) dat de warmte opneemt tijdens het lopen over het warmte-overdrachtselement 20 en deze warmte afgeeft ter plaatse van een ander deel van het koelcircuit. Tijdens het stromen van de koelvloeistof door de koelkamer 17 van het koelelement 10 wordt voldoende druk 20 gehandhaafd om het warmte-overdrachtselement 20 in nauw thermisch contact te houden met het oppervlak van de aftakpijp 1. De druk van de koelvloeistof tijdens het stromen daarvan door het koelelement 10 kan lager zijn dan de eerste druk, waaraan het koelelement 10 aanvankelijk is onderworpen 25 teneinde een nauw contact tot stand te brengen tussen het warmte-overdrachtselement 20 en het oppervlak van de aftakpijp 1.At least a portion of the heat generated as a result of the welding process is dissipated from the branch pipe 1 through the heat transfer element 20 to the cooling liquid contained in the cooling element 10. The cooling liquid flows into a closed cooling circuit (not shown) which absorbs the heat as it passes over the heat transfer element 20 and releases this heat at another part of the cooling circuit. During the flow of the cooling liquid through the cooling chamber 17 of the cooling element 10, sufficient pressure 20 is maintained to keep the heat transfer element 20 in close thermal contact with the surface of the branch pipe 1. The pressure of the cooling liquid during its flow through the cooling element 10 may be lower than the first pressure to which the cooling element 10 was initially subjected to establish close contact between the heat transfer element 20 and the surface of the branch pipe 1.

De temperatuur van de aftakpijp 1 tijdens het lasproces kan nauwkeurig worden beheerst door het bijstellen van het 30 stromingsdebiet van de koelvloeistof door het koelelement en/of door het bijstellen van de inlooptemperatuur van de koelvloeistof.The temperature of the branch pipe 1 during the welding process can be accurately controlled by adjusting the flow rate of the cooling liquid through the cooling element and / or by adjusting the inlet temperature of the cooling liquid.

Na beëindiging van het lasproces wordt de druk van de koelvloeistof in de koelelementen 10 verlaagd teneinde de 35 koelelementen 10 te laten samentrekken uit hun geëxpandeerde toestand. De koelmanchet 11 en de koelelementen 10 worden vervolgens uit de aftakpijp 1 weggenomen.After completion of the welding process, the pressure of the cooling liquid in the cooling elements 10 is lowered to allow the cooling elements 10 to contract from their expanded state. The cooling sleeve 11 and the cooling elements 10 are then removed from the branch pipe 1.

1001662 71001662 7

De hierboven beschreven uitvoeringsvorm van de uitvinding is in het bijzonder geschikt voor toepassing samen met een inductief werkend verwarmingssysteem voor het lassen van een aftakking op een in bedrijf zijnde onder zee gelegen 5 pijpleiding.The embodiment of the invention described above is particularly suitable for use in conjunction with an inductive heating system for welding a branch on an operating pipeline located under the sea.

10016621001662

Claims

1. Device for extracting heat from a first part during welding, characterized in that the device comprises a cooling element, which is equipped with a heat transfer element, which element is deformable in order to make contact with a surface of the first element near the welding zone for dissipating heat from the first element.

2. Device as claimed in claim 1, characterized in that the heat transfer element comprises a wall part of the cooling element 10.

Device as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the cooling element further comprises an internal space suitable for receiving a cooling liquid therein.

4. Device as claimed in claim 3, characterized in that the cooling element further comprises a liquid inlet and a liquid outlet, which communicate with the internal space.

Device according to claim 3 or 4, characterized in that the heat transfer element is in contact with the cooling liquid.

Device according to any one of claims 3-5, characterized in that it further comprises a pressure device for pressurizing the cooling liquid in the cooling element.

7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling element is expandable and that the expansion of the cooling element deforms the heat transfer element.

8. Device as claimed in claims 6-7, characterized in that pressurizing the cooling liquid in the cooling element causes this cooling element to expand.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that two cooling elements are arranged, each cooling element having a semi-circular shape.

10. Device as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that it further comprises a support member for supporting the cooling element during use. 1001662

11. Device as claimed in claim 9, characterized in that the cooling element is mounted on the support member.

12. Device as claimed in claim 10 or 11, characterized in that the support member is tubular and in that the cooling element or the cooling elements extend along the internal and external surface of the support member.

13. Method for extracting heat from a first part during welding, characterized by applying a cooling element, which is equipped with a deformable heat transfer element and deforming the heat transfer element such that this element contacts a surface of the first part near a welding zone to dissipate heat from the first element.

14. Method according to claim 13, characterized by the further step consisting of expanding the cooling element in order to deform the heat transfer element.

A method according to claim 13 or 14, characterized in that it further comprises passing a cooling liquid through a cooling element to cool the heat transfer element.

A method according to claims 14-15, characterized in that pressurizing the cooling liquid causes the cooling element to expand.

Method according to any one of claims 13-16, characterized by placing the cooling element close to a support member 25 for supporting the cooling element.

Method according to claim 17, characterized in that the cooling element is placed between the first part and the support member. 1001662