专利名称：组装自提升式石油钻机齿条部分的方法
技术领域：
本发明涉及自提升式石油钻机的齿条部分。
自提升式石油钻机由机身(hull)构成，该机身由机腿承载，该机腿要被支承在洋底上。为了能相对于机腿的脚而调节机身高度，就把机身安装成沿着机腿可移动的。相对于机腿的脚而调节机身位置，借助于一装置进行，该装置由与齿条相啮合的齿轮构成，该齿条构成为机腿构件。
齿条由一些部分构成，这些部分首尾相连地焊接着，并在一个侧面由一矩形板子形成，而在另外那个侧面由加强件形成，该加强件为半壳体形式的，被焊接在那块矩形板子的主面上。每块矩形板子的横向表面上均包括一些齿部，该齿部的用意是为了与机身的驱动装置的齿轮合作。焊接在矩形板子主面之一上的每个加强件，其长度小于矩形板子长度，从而可让两个连续部分首尾相连地被焊接。为了确保各个加强件的连续性，一个形式为半壳体的连接件被置于两个连续部分之间的连接区。各个加强件借助于焊接而被固定在矩形板子横向面上，焊接点质量对于齿条的机械强度是一个重要因素。就抗疲劳性而言，焊接点的表面质量尤其是一个重要因素。
为了获得质量令人满意的焊接点，在加强件之内沿着该加强件的纵向边缘设置陶瓷支柱(strut)，于是，就用焊接技术从外部沿着加强件的纵向边缘进行焊接而外加金属。陶瓷支柱确保把焊缝处于加强件的内部部分。以此方式形成的焊缝有优点，那就是其尤其在加强件的内部部分具有优质的根部，具有良好的表面面貌，并因此具有良好的抗疲劳性。然而，尤其对焊接操作期间与热裂隙(hot-fissuring)有关的原因而言，业已证明，在曲率半径大于3毫米的加强件内部区域中，用所述焊接技术不可能使焊接点的根部有连接处。其结果是，这些焊接点的抗疲劳性就受到限制。所以，使用陶瓷支柱的焊接技术有时就使对焊接点的控制发生困难，因为在陶瓷支柱上进行焊接之后，必须去除该支柱才能够对焊接点进行控制。而去除陶瓷支柱并非总是简单的事情。尤其是可能有支柱碎片残留在焊缝里。这些支柱碎片会使焊接点有缺陷，影响其机械强度。
由于板子不平坦而造成的缺陷，或者由于加强件几何形状形成的缺陷，使得焊缝就不总是很规则的。其结果是，借助于超声而对焊接点质量加以控制最终是困难的。
最后还要说一点，使用陶瓷支柱的焊接技术费用昂贵，其原因首先是由于要对所用陶瓷支柱进行测量且该支柱本身就昂贵，其次还由于焊接之后对陶瓷支柱定位及去除也是费用昂贵的长时间操作。
本发明的目的就是为了克服这些缺点，提供一种针对自提升式钻机齿条加强件的焊接技术，该技术可使焊接点的抗疲劳性改进，而且比已知技术较为容易且更为节俭地进行焊接。
为了达到这个目的，本发明涉及一种用于组装自提升式钻机齿条部分的方法，该齿条部分由至少一块矩形板子和至少一个加强件构成，该矩形板子包括处于其纵向侧面上的齿部，该加强件的形式为半壳体，该半壳体沿着该至少一个加强件的纵向边缘而被焊接在该至少一块矩形板子的主面上，其特征在于-由一厚度为T的突出部隔开的内斜面与外斜面，在至少一个加强件每个纵向边缘上产生；-该加强件设置在该板子上；-在该加强件每个纵向边缘的内部部分完成至少一个焊道(welding pass)，以便产生内焊缝，该焊缝的连接半径R大于或等于4毫米；-以及在各斜面中的该加强件每个纵向边缘的外部部分处，以外焊缝填充，而该焊缝产生于外加金属的至少一个焊道上。
完成于加强件每个纵向边缘内部部分处的至少一个焊道，最好是外加金属的焊道。
另外，在内焊缝已经产生之后，且在各斜面中的加强件每个纵向边缘的外部部分处已经填充之前，最好对内焊缝加以控制，如果必要，就把缺陷磨光并修补焊缝。
突出部的厚度T最好不大于内焊缝贯通深度、外焊缝第一焊道贯通深度及对缺陷做任何磨光的厚度之和。
内焊缝例如可由一种方法产生，该方法从下列方法中选用埋弧焊、金属焊丝惰性气体保护焊(MIG welding)、活性气体保护电弧焊(MAG welding)、钨极惰性气体保护电弧焊(TIG welding)以及敷料电极焊(coated electrode welding)。外焊缝可由埋弧焊方法产生。
加强件可以是两块相邻矩形板子的两个加强件之间的连接件。
本发明还涉及自提升式石油钻机的齿条部分，该齿条部分由至少一块矩形板子和至少一个加强件构成，该板子包括处于其纵向侧面上的齿部，该加强件的形式为半壳体，且沿着至少一个加强件的纵向边缘被焊接在至少一块矩形板子的主面上，该加强件用于使加强件内焊缝与矩形板子相连接的曲率半径大于或等于4毫米。
处于加强件与矩形板子之间的至少一个连接焊接点，最好由至少一个内焊缝和至少一个外焊缝构成。
最后要说一点，本发明涉及一种设备(device)，其用于执行符合本发明的方法，该设备包括一个焊头，该焊头由一个喷嘴和一个斜面导向件(chamfer guide)构成，并由一个臂的末端所承载，该臂被安装成与一活动滑座(carriage)相铰接的，且该设备还包括用于为焊头提供填充金属(filler metal)、焊剂以及电动力的装置。
执行符合本发明的方法所用设备，也可以包括一滑座，该滑座悬挂在缆索上，并承载着至少一个焊头和导向装置，而且还可以包括为至少一个焊接吹管(welding torch)提供填充金属、焊剂以及电动力的装置。
现在就参照附图详细说明本发明，但采用的是非限制性方式，在这些附图中
图1大略显示自提升式钻机的机腿部；
图2是自提升式钻机的齿条部件的透视图；图3是一截面图，显示在焊接之前的钻机上齿条的加强件与板子之间的连接区；图4是一截面图，显示在焊接之后的钻机上齿条的加强件与板子之间的连接区；图5的图纸大略代表一设备，该设备用于把加强件焊接在钻机上齿条的板子上；图6是一设备的大略视图，该设备用于焊接两个齿条的两个部分之间的连接区。
如图1大略显示的那样，自提升式平台的腿部包括竖直构件60、60’，该构件由齿条构成，并由栅格(grid)62彼此连接。齿条包括齿部64、64’，该齿部与齿轮63、63’啮合，该齿轮属于钻机机身的高度调节设备。齿条由多个首尾相连而组装的部分构成。如图2所示，两个邻接部分1与2被设置为彼此相当的一个连续部分，且以焊接方式而组装。由于该两个部分是相同的，下文仅对部分1予以说明。
部分1由薄的矩形板子3构成，该板子的横向面4与5带有齿部41、51，齿轮可以与该齿部啮合。在矩形板子3的上主面6与下主面7上，设置了形式为半壳体的加强件8与9，该加强件的长度小于矩形板子3的长度。半壳体状加强件8与9沿着矩形板子3的纵向边缘11与12而焊接在该板子上(在图中只看得见上部加强件8的纵向边缘)。由于第一部分1的半壳体状加强件8与9和第二部分2的加强件8’与9’比构成为第一与第二部分的矩形板子3与3’短一些，在这些加强件之间就留有以上部连接件10与下部连接件10’填充的空间，该两个连接件也是形式为半壳体的。这些连接件10与10’也是加强件。
连接件10与10’沿着与矩形板子相接触的边缘而被焊接在矩形板子3与3’上。所述连接件也被焊接在加强件8、8’和9、9’上，与例如沿着上部连接件10的边缘14和14’合作。
为了把加强件例如图2中附图标记8所示的加强件沿着纵向边缘11或12焊接在矩形板子3上，首先要对半壳体状加强件8的边缘11和12进行机械加工，以便在每个边缘上形成被突出部17分隔开的外斜面15和内斜面16，如图3所示那样。突出部17是为了与矩形板子3及斜面15和16邻接，而该斜面导致的矩形板子3与加强件8的切去下部是为了接纳焊缝。
外斜面15的形状是专业人员所知的，其包括凹下的外形，以便形成斜的侧面19和斜面底部18。内斜面16既有平坦形状，也有凹下形状，也就是说，平坦形状基本上包括斜壁21，而凹下形状不仅包括斜壁21，还包括斜面底部20。在凹下形状的情况下，斜面底部与斜壁21借助于连接半径22而被连接。
包含在外斜面15的斜面底部18与内斜面16的斜面底部20之间的材料，构成了突出部17。突出部17具有宽度T和高度d，该高度相当于斜面底部20的宽度。
当在上部加强件8与下部加强件9的两个纵向边缘上产生斜面之后，就构成了预组装。为了进行该预组装，两个加强件即上部加强件8与下部加强件9被定位在矩形板子3的表面6与7上。于是产生焊接点，以确保预组装的刚性。
一旦进行了预组装，至少一条焊道就在每个加强件的斜面底部形成了，这就是所谓根部焊道，其用于形成根部焊缝23。这些根部焊道是借助于外加焊接金属的方法而形成的，此种方法例如有埋弧焊、金属焊丝惰性气体保护焊方法、金属活性气体焊接方法、钨极电弧惰性气体保护焊方法或敷料电极焊方法。焊接操作进行得使位于斜面16底部的突出部17里的焊缝23，达到既定贯通级别。所完成的焊道的数量是根据几何形状选择的，该几何形状按要求是为了让根部焊缝得到的。该几何形状以焊缝的连接半径R为特征。以专业人员所知方式来看，焊缝的连接半径就是朝向加强件内侧的焊缝内表面的曲率半径。当焊接操作在单一焊道中进行时，连接半径R大于或等于4毫米，但是大约为4毫米。如果焊接操作是在好几个焊道中进行，连接半径R可以远远大于4毫米。
由于所要产生的焊接点的平均长度约为12米，考虑到所要安装在石油钻机上齿条部分的常规尺寸，焊接操作一般分为两个步骤进行，使焊缝插在该齿条部分的中央。也就是说，首先，在一个末端开始焊接该部分的第一个半部，接着在第二末端开始焊接该部分的第二个半部。
产生了加强件的内焊缝之后，就清除加强件里的焊缝，以便去除在焊接操作期间可能还附带着的焊剂。接着，在内侧对焊缝根部的不平坦加以控制。这种控制例如是借助于照相机(camera)进行的。当缺陷消除时，这些缺陷于是从加强件的外侧上磨光，以便去除对应区域中的金属。一旦去除了金属，就用与在内侧完成焊道相同的方法修补焊缝，也就是说，从内部进行焊接。当在内焊缝上的控制和修补已完成了，且因此而提供了可靠的焊缝，就借助于外加金属的焊接方法例如埋弧焊法最终填充外斜面。于是，就对所有的焊接接头进行验磁及超声波控制。
以此方式加工，就在加强件8与矩形板子3之间产生连接，如图4所示那样。该连接区域在内侧处包括内焊缝23，该焊缝产生于一个或更多个焊道中，且其连接半径R大于或等于4毫米，而且，在外侧处产生由多个基本焊缝(elemental welding bead)24、25构成的焊缝，该基本焊缝以埋弧焊法产生。于是，焊接质量高，而内焊缝23和位于外斜面15底部处的第一基本焊缝25必须不留下任何未被占据的空间。这样就表现为内焊缝23与第一外部基本焊缝25某一程度的互相贯通。为了达到这个目的，突出部的厚度T必须小于内侧处焊缝贯通深度与外侧处第一基本焊道贯通深度之和，减去在外侧处完成第一焊道之前可以磨光而去除的金属厚度。内侧与外侧二者的贯通深度依赖于所用的焊接方法、该方法的能量参数(energy parameters)以及焊缝沉积处的凹陷部的几何形状而定。专业人员都知道如何形成焊缝的此种贯通深度。
一般而言，填充金属可以根据为焊接的特性所布置的目标而选择。
填充金属可以具有像构成为加强件与矩形板子的金属那样的成分。在此情况下，焊接就会获得相当于加强件与矩形板子特性的那些特性。
填充金属也可以熔合为比构成为加强件与矩形板子所用金属略微沉重的。在此情况下，焊接发生裂隙的风险就降低了。
最后要说一点，如果在焊缝中产生残留压缩应力，以便改进抗疲劳性，那么，就可以使用比构成为加强件与矩形板子所用金属较为沉重的熔合填充金属。
专业人员都知道如何选择与特定环境相符合的那些填料产品，并因此知道该人员所要达到的特定目标。
把加强件焊接在矩形板子上一般是在车间里进行，齿条部分被布置在水平平面上。在构造钻机腿部时，以此得到的该部分被现场组装为竖直位置的。
为了进行焊接操作，就使用图5所示专用工具。这些工具由较长的臂26构成，该臂一般长于7米，其两端承载着一般标示为27的焊头。焊头27首先包括焊接喷嘴28，其次包括斜面导向件29，该导向件的用意是被支承在要想产生焊缝的那个斜面上。臂26借助于其第二末端而安装成铰接在滑座30上，该滑座可在轨道34上移动。滑座30也可以或者也不可以是电机驱动的。滑座还可承载用于控制焊接参数的控制箱及系统32，以及承载焊丝卷(coil of wire)31，该焊丝卷会为焊头提供焊丝。用于控制焊接参数的控制箱及系统连接着发电机(未显示)，该发电机远离滑座30。臂26的长度可调节以便适应斜面的长度，在该斜面上合乎做焊接的要求，该臂具有装置，该装置用于首先是传送焊剂，其次是传送填充金属。焊剂由加压套(pressurised sheath)传送，该加压套连接着焊剂供应设备，该设备本身是人们知道的且位于电机驱动滑座附近。填充金属丝沿着臂26而被“推拉”系统传送，该系统本身是人们知道的，且一般由电机驱动的推动辊和拉动辊构成。推动辊被布置在填充金属丝卷31附近，且拉动辊被布置在焊头27附近。焊剂供应设备一般包括一个烘箱(oven)，该烘箱也位于滑座附近。
在两个相邻齿条部分的加强件之间形成连接的连接件10、10’，其一侧被焊接在加强件8和8’或9和9’上，该连接件插入该加强件之间，而且其另一侧，沿着连接线14和14’，以焊接于加强件8与9上相同的方法，焊接在矩形板子上。以此方式，连接件的焊接点包括连接半径大于4毫米的内焊缝。然而，当齿条部分在车间里时，并不组装连接件10与10’，而是当组装石油钻机时，才在现场组装连接件。在组装石油钻机期间，齿条部分的各部件不是水平放置的，而是竖直放置。为了产生连接件的焊接点例如连接件10，因此就必须把焊头引入加强件里，更具体地说是要引入加强件与矩形板子之间的可用空间里，并把该焊接装置竖直地放低，达到要产生焊接点的区域。为了在加强件里放低焊头，就要使用如图6所示设备。该设备包括带有导向装置36的滑座35，该导向装置例如是小辊，且承载着两个焊接吹管37与38，该焊接吹管被定向而能够沿着两个内部纵向边缘11和12进行焊接。活动滑座悬挂在两条缆索39上，该缆索可让滑座在加强件里升高或放低。
另外，活动滑座的一侧被图中未显示的装置连接在电动力源上，另一侧连接在一装置上，该装置提供填充金属例如填充金属丝卷，且该另一侧最终连接在一装置上，该装置供应焊剂，该焊剂既可以是固态焊剂，也可以是气态焊剂。这些装置本身都是人们所知的。
以上说明的方法是这样一种方法根部焊道由使用填充金属的焊接技术所完成。然而，也可以由不使用任何填充金属的焊接技术完成该根部焊道。以此方式，也能得到令人满意的结果。
一般而言，以上说明的方法具有在任何情况下均能提供焊根的优点，该焊根的几何形状，比起使用陶瓷支柱的技术所得焊根的几何形状来，更为令人满意，尤其是因为内侧处焊缝的最小连接半径大于或等于4毫米。另外，当根部焊道由使用填充金属的技术完成时，可以更适宜地选择填充金属以便调节焊根的机械特性。尤其是可以产生的焊根，其机械特性相对于自然而然形成的机械特性提高了。另外，如上文所述，该焊接方法在内侧重复使用，并不必然使清除加强件里的焊接点有任何困难，而这种困难在使用陶瓷支柱的焊接技术情况下则会发生。因此，该焊接方法的生产率就会大大提高。最后要说一点，由于焊缝并不会像使用陶瓷支柱的焊接那样被碎屑污染，该方法就更为连贯一致，并因此而更可反复使用，也更便于控制。因此，所得到的焊接点比起已知方法得到的焊接点来，就更加可靠。
权利要求
1.用于组装自提升式石油钻机齿条部分(1、2)的方法，该齿条部分(1、2)由至少一块矩形板子(3、3’)和至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)构成，该矩形板子包括处于其纵向侧面(4、5)上的齿部(41、51)，该加强件的形式为半壳体，该半壳体沿着该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)的纵向边缘(11、12)而焊接在该至少一块矩形板子(3、3’)的主面(6、7)上，其特征在于—由一厚度为T的突出部(17)隔开的内斜面(16)与外斜面(15)在该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)的每个纵向边缘(11、12)上产生；—该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)设置在该矩形板子(3)的主面(6、7)上；—在该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)的每个纵向边缘(11、12)的内部部分完成至少一个焊道，以便产生内焊缝(23)，该内焊缝的连接半径R大于或等于4毫米；—以及在该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)每个纵向边缘(11、12)的外部部分处，以外焊缝填充斜面，而该外焊缝产生于外加金属的至少一个焊道上。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于在该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)每个纵向边缘(11、12)的内部部分完成的至少一个焊道(23)，是外加金属焊道。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于在内焊缝(23)形成之后且在该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)的纵向边缘(11、12)外部部分处的斜面(15)被填充之前，内焊缝(23)被进一步控制，如果必要，就把缺陷磨光并修补内焊缝(23)。
4.如权利要求1至3中任一项权利要求所述方法，其特征在于突出部(17)的厚度T小于内焊缝(23)贯通深度、外焊缝第一焊道贯通深度及任何磨光的缺陷厚度之和。
5.如权利要求1至4中任一项权利要求所述方法，其特征在于内焊缝(23)由从埋弧焊、金属焊丝惰性气体保护焊、活性气体保护电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊以及敷料电极焊等方法中选用的一种方法产生。
6.如权利要求1至5中任一项权利要求所述方法，其特征在于外焊缝由埋弧焊方法产生。
7.如权利要求1至6中任一项权利要求所述的方法，其特征在于该至少一个加强件(10、10’)是一连接件，其处于两个相邻矩形板子(3、3’)的两个加强件(8、8’、9、9’)之间。
8.自提升式石油钻机的齿条部分，该齿条部分由至少一块矩形板子(3、3’)和至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)构成，该矩形板子包括处于其纵向侧面(4、5)上的齿部(41、51)，该加强件的形式为半壳体，该半壳体沿着该至少一个加强件(8、8’、9、9’、10、10’)的纵向边缘(11、12)而焊接在该至少一块矩形板子(3)的主面(6、7)上，其特征在于内焊缝(23)的连接曲率半径大于或等于4毫米。
9.如权利要求8所述的齿条部分，其特征在于加强件(8、8’、9、9’、10、10’)与矩形板子(3)之间的至少一个连接焊接部，由至少一个内焊缝和至少一个外焊缝构成。
10.用于实施权利要求1至6中任一项权利要求所述方法的设备，其特征在于它包括由喷嘴(28)与斜面导向件(29)构成的焊头(27)，该焊头由安装成铰接在一活动滑座(30)上的臂(26)的末端所承载，且该设备包括用于为焊头提供填充金属、焊剂以及电力的装置。
11.用于实施权利要求7所述方法的设备，其特征在于它包括承载着至少一个焊头(37、38)和导向装置(36)的滑座(22)，该滑座在缆索(29)上悬挂，且该设备包括用于为焊头(37、38)提供填充金属、焊剂以及电力的装置。
全文摘要
本发明涉及一种组装自提升式石油钻机齿条部分(1)的方法，该齿条部分(1)包括至少一块矩形板子(3)和至少一个加强件(8)，该矩形板子包括处于其纵向侧面(5)上的齿部(51)，该加强件的形式为半壳体，该半壳体沿着该至少一个加强件的纵向边缘(11)而焊接在该至少一块矩形板子的主面(6)上，从而沿着该至少一个加强件(8)的每个纵向边缘(11)产生被一有厚度T的隆起部分隔开的内斜面与外斜面，该至少一个加强件(8)被放置在该矩形板子(3)的主面(6)上，沿着该至少一个加强件每个纵向边缘(11)的内部部分形成至少一个焊道，从而产生内焊缝，该焊缝的连接半径R大于或等于4毫米，且位于该至少一个加强件每个纵向边缘外部部分上的斜面上，被有金属沉积的至少一个焊道所产生的外焊缝所填充。
文档编号B23K31/02GK1833076SQ200480022781
公开日2006年9月13日 申请日期2004年6月29日 优先权日2003年7月2日
发明者D·卡达蒙, P·马贝里 申请人:工业钢铁法国公司, Civad股份有限公司