形成和检测管道节的设备和方法

专利名称：形成和检测管道节的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种由两个或更多个区段形成管道继而检测所形成的管道的完整性 的设备。
背景技术：
在用于在各地点之间输送流体材料的许多应用中普遍使用管道及其他类似导管。 为了确保安全性，通常对管道实施完整性检测以便识别出可能泄漏正被输送的流体的任何 裂缝或其他类似开口。这些裂缝可能是由管道上的有缺陷的焊缝或制管工艺的缺陷所引起 的。在管道用于输送易燃或有毒物质的情形下或者当管道在高压下输送流体时，管道完整 性检测尤其重要。在检测管道的技术领域中已知多种设备和方法。在一些已知的方法中，仅向管道 段填充典型的不可压缩的流体并加压，同时监测管道内的压力。任何压降表明管壁存在泄 漏。这些已知的方法尽管有效但效率低，原因在于这些方法需要对管道的整个容积填充并 加压，这在由于直径大或长度长而导致管道容积大时是成问题的。现有技术提供了诸如在下述美国专利中有所教导的各种类型的管道检测装置 即，6，463，791 ；6, 131,441 ；以及5，844，127 (所有这些专利与本发明拥有共同的发明人)。 尽管这些装置已证实可有效地对管道段实施检测，但仍需要高效检测管道节的设备。这种 装置在美国专利No. 4，067，228中有所教导。此篇参考文献提供了一种具有心轴的设备，该 心轴被插入管道区段中从而在内侧管壁与心轴的外表面之间形成环形空间。为了实施完整 性检测，将少量流体注入上述环形空间中并加压。尽管提供了高效的检测方法，但此篇参考 文献的设备非常复杂且难于从一个地点移动到另一地点。此外，此篇参考文献没有提供检 测弯曲的管道段的手段。在一些情况下，待检测管道可由被焊接在一起的两个或更多个区段形成。在这种 情况下，首先在一台设备上典型地通过焊接将管道的各区段或各段接合在一起，然后将接 合后的管道移动到另一设备处以便进行检测步骤。应该理解这两步工序导致设备成本和时 间成本增加。因而，需要更高效的检测管道段的完整性的设备。另外，需要对由两个或更多个区 段形成的管道进行更高效地接合和检测。
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在一方面中，本发明提供一种由两个或更多个区段形成管道继而检测所形成管道 的完整性的设备和方法。在另一方面中，本发明提供这样一种设备，所述设备包括框架；心轴，其安装在 所述框架上，并且适于将管道区段同轴地套在所述心轴上；以及至少两个密封装置，其用于 密封所述管道的端部。所述设备包括用于接合相邻管道区段的端部以形成所述管道的焊接 装置。所述设备还包括用于检测所述管道的完整性的加压设备。因而，在一方面中，本发明提供一种用于检测管道的完整性的设备，所述管道具有 第一端和第二端，所述第一端具有第一开口，所述第二端具有第二开口，所述管道由两个或 更多个区段形成，所述设备包括框架，其具有第一端和第二端；长形的心轴，其具有第一端和第二端，所述心轴的长度至少对应于所述管道的长 度，并且所述心轴的外径小于所述管道的内径，其中，当使用时，所述心轴适于容纳在所述 管道内；所述心轴被支撑在所述框架上，并且所述心轴的所述第一端固定于所述框架的所
述弟一 而；所述心轴的所述第一端包括用于密封所述管道的所述第一开口的第一密封装置， 并且所述心轴的所述第二端包括用于密封所述管道的所述第二开口的第二密封装置，由 此，当使用时，在所述心轴、所述管道以及所述第一密封装置和第二密封装置之间形成大致 环形空间；所述设备包括用于向所述环形空间填充加压流体或者用于将空气或所述流体排 出所述环形空间的一个或多个通道以及用于监测所述环形空间内的压力的装置；所述设备还包括用于将形成所述管道的两个或更多个区段永久地接合在一起的
直ο在另一方面中，本发明的所述设备包括用于使心轴和管道组件绕轴旋转的装置。在又一方面中，本发明提供一种形成和检测由两个或更多个区段组成的管道的方 法，所述方法包括提供固定在框架上的心轴，所述心轴的长度至少等于待形成的管道的长度；同轴地将所述管道区段套在所述心轴上并且将所述各区段推压在一起以形成所 述管道，由此形成心轴和管道组件，所述心轴和管道组件包括位于所述心轴与所述管道之 间的环形空间；密封所述环形空间的相对两端；焊接所述管道区段之间的接合处；向所述环形空间填充加压流体；以及通过监测在所述环形空间内形成的压力来检测所述管道的完整性。在另一方面中，本发明的所述方法包括使所述心轴和管道组件绕轴旋转的步骤。


在以下参考附图进行的详细描述中，本发明的优选实施例的这些及其他特征将更
5加明了，其中图1是根据本发明实施例的检测设备的侧视图。图2是图1的设备的俯视图。图3是图1的设备的第一端的端视图。图4是图1的设备沿截面A-A的端视图。图5是与待检测管道组合的图1的检测设备的侧视图。图6是图5的局部放大侧视图。图7是与心轴组合的本发明的心轴的分解立体图。图8是图7的密封圈的局部立体图。图9是本发明的第二密封装置的局部侧视图。图10是第一密封装置的实施例的立体图。图11是本发明另一实施例的侧视截面图。图12是本发明另一实施例的分解立体图。图13是本发明另一实施例的侧视截面图。图14是根据本发明另一实施例的检测设备的侧视图。图15是示出正装载管道区段的图14的设备的局部侧视图。图16a是示出不带有心轴的管道的图14的设备的截面图。图16b是示出管道和心轴的图14的设备的截面图。图17a是示出管道区段正装载到包括外部滑动垫的心轴上的图14的设备的实施 例的局部侧视图。图17b是装载管道区段之后的图17b的设备的局部侧视图。图18是示出包括外部滑动垫的心轴的图14的设备的实施例的侧视图。图19是装载有管道区段的图18的设备的侧视图。图20a是示出用于心轴和管道旋转的电动机和齿轮箱的图17a的设备的局部侧视 图。图20b是装载管道区段之后的图20b的设备的局部侧视图。图21是图20的设备的立体图。
具体实施例方式现在将描述本发明的一个或多个实施例。然而，应该理解以下描述并非意在将本 发明局限于所披露的实施例，对于本领域技术人员来说各种变型是显而易见的。参考图1至图4，本发明的设备10包括框架12，该框架12具有以平行且沿横向间 隔开的方式布置的一对水平支撑件14和16。这对支撑件通过基底18和支撑平台20而连 接，该基底18和支撑平台20分别固定在水平支撑件14和16的底部和顶部。框架12还包 括一对竖直支撑件21和22。支撑件14、16、20和22例如可包括“I”型结构梁。必要时，基 底18可包括轮子(未示出)或其他便于该设备移动或运输的类似装置。检测设备10包括大致圆筒状、优选中空的心轴24，该心轴24优选具有比被检测管 道的长度长的长度。在操作时，如下所述，将该心轴设计为插入被检测管道的内腔。优选地， 该心轴具有比被检测管道的直径稍小的直径，并且比该管道长度长至少18"；然而，本领域技术人员在考虑以下描述之后将理解其他间隙是可以的。心轴24的第一端设置有第一密 封装置26，在一个实施例中该第一密封装置26包括密封板，如下进一步描述。在一个实施 例中，例如通过焊接将第一密封装置26永久地固定到心轴24上。在另一实施例中，如下进 一步描述，密封装置26可以可松开地安装到心轴上。第一密封装置26被撑靠于竖直支撑 件21和22，而在一个实施例中第一密封装置26可以可松开地安装到竖直支撑件21和22 上。例如，在一个实施例中，可以将密封装置26设置于由支撑件21和22提供的狭缝中，并 且允许密封装置26在相对于支撑件21和22的有限的垂直方向上移动。鉴于以下描述显 而易见的是这种垂直运动起到便于使用该设备的作用。支撑板20设置有成对布置且设计成支撑心轴24的多个支撑滚轮28。如图4中 所示，支撑滚轮被设计成支撑心轴的底部并且互成角度以防止大致圆筒状的心轴从支撑滚 轮28上滑落。该设备还可包括多个调准滚轮30，所述多个调准滚轮30也成对布置且用于 引导和对准待检测管道，如下将作进一步论述。简要地，调准滚轮设置在所述心轴的第一端 14以便于通过密封装置26对待检测管道的一端进行密封。显然所需调准滚轮的数量将根 据该设备的具体尺寸而变化，并且支撑滚轮和调准滚轮的所需数量对于本领域技术人员而 言将显而易见。在图1至图4所示的实例中，该设备包括六对支撑滚轮28和三对调准滚轮 30。在这些图所示出的实例中，调准滚轮以两个方向设置，其中两对调准滚轮设置为邻近于 各对支撑滚轮以便引导和支撑被检测的管道的端部，同时一对调准滚轮设置在心轴直径的 相对侧以便引导或对准该管道端部。可根据需要设置另外的调准滚轮。在图1至图4中，以32表示待检测管道。如图所示，管道32被支撑在吊车或吊索 34或其他类似机构上。在图中所示的实例中，该吊索仅包括用于支撑管道的一条或多条带 子36，这些带子与诸如起重机等升降机构连接。应该理解吊车或吊索的目的在于提升和/ 或支撑管道32，并且可以同等使用多种机构。如图1和图2所示，在使用时，使管道32与心轴24轴向对准。如上所指出，心轴 24的尺寸设置为能够配合在管道32的内腔中。在一个实例中，对于直径为54英寸的管道 而言，心轴的直径优选为50英寸。沿着箭头所示的方向将管道32推进套在心轴24上。对 此在图5和图6中有进一步说明。如图5所示，随着管道32朝向心轴24移动，心轴被稍微 抬升并且管道32在心轴与支撑滚轮28之间滑行。在一个实施例中，心轴设置有多个滑动 垫38以便于心轴24插入管道32中。滑动垫38可由将会降低插入步骤中心轴24与管道 32之间摩擦的任何材料(即摩擦系数低的材料)制成。在一方面中，此类材料可包括诸如 以商品名Teflon 出售的四氟乙烯材料。在一优选实施例中，如图6所示，滑动垫38可设 置有楔子40以进一步便于管道32在心轴24与支撑滚轮28之间的滑行。在以上论述中，涉及使管道32移动套在心轴24上。本领域技术人员应该理解在 使管道32保持在相对固定的位置同时使心轴24滑入管道32中可以达到同样的效果。此 外，心轴和管道也可以共同朝向彼此移动。管道32和心轴24被合到一起直至管道32的第一端接触第一密封装置26为止。 如上所提及，第一密封装置优选可相对于框架12的支撑件21和22具有一些垂直间隙。图7示出了插入待检测管道32之后的本发明的心轴24。也显示了如前所述的第 一密封装置26。如上所提及，在一个实施例中，密封装置26包括直径比被检测管道32的直 径大的板42。该板42设置有环形凹槽44，环形凹槽44的尺寸设置为被管道32的第一端
746覆盖。将诸如“0”型圈等弹性密封件48设置在凹槽44内以便与管道32的第一端46形 成密封。应该理解在施力将密封板42与管道端46合在一起时将形成该密封板与管道端之 间的密封。该步骤在以下有进一步论述。尽管根据本发明的一个实施例，第一密封装置包 括实心密封板，但应该理解也可使用环形盘，将结合图10对此做进一步描述。这种环形盘 也将包括如上所述的弹性密封件48。图7还显示了与第一端46相对的管道32的第二端。如上所提及，并且如图7所 示，在一个实施例中，心轴24的尺寸设置为比被检测管道32长。这种布置提供了足够的心 轴表面用以将第二密封装置50固定到心轴24上继而固定到管道32上。第二密封装置50 包括密封圈52、压紧板54以及施力环56，这些部件分别按顺序从管道32的第二端在轴向 上远离管道32依次排列。密封圈52、压紧板54以及施力环56分别大致为环状体，并且分 别以共轴的方式套在心轴24上。如图7所示并且在图8和图9中更详细地示出，密封圈52由具有第一管道密封槽 58和第二心轴密封槽60的环圈构成。该管道密封槽58设计为类似于上述凹槽44，并且是 尺寸与管道32的第二端的直径相匹配的大致环形槽。该管道密封槽设置有诸如“0”型圈 等弹性密封件62，并且当施力将管道密封槽与管道32的第二端合在一起时该管道密封槽 与管道32的第二端之间形成密封。如图9中更清晰所示，心轴密封槽60由密封圈52上的 斜切边构成。该心轴密封槽60设置在环形密封圈52的内径侧并且位于靠近管道32侧的 相反侧。诸如“0”型圈或其他类似材料等的弹性密封件64设置在心轴密封槽60内并且用 于在密封圈与心轴24的外周之间提供密封。如图9所示，通过朝向密封圈52推压压紧板 54形成这种密封，由此这种推压使得弹性密封件64发生变形并且使得密封件64紧绕在心 轴24的外周上。在将某些部件推压在一起时，实现以上所述的各种密封。如现在将描述的，通过一 个推压步骤可以实现所有的密封。具体而言，在一个实施例中，并且如图8和图9所示，施 力环56设置有常规可获得的沿周向间隔的多个液压头或液压顶66。如下将进一步论述，液 压顶66用于对压紧板54施加压力。本领域技术人员参考本公开内容后会公认本发明中的 液压顶66可被提供所需力的各种机械装置替代。液压顶66设置在施力环56的面向待检 测管道32的表面上。最后，多个“液压顶止动件”68设置在心轴24的外周上并且用于靠紧 施力环56。在一个实施例中，止动件68包括螺栓，该螺栓设置为穿过心轴上的沿周向间隔 的孔口 70。止动件68可包括延伸穿过孔口 70的螺纹部72，由此使用与止动件68的螺纹 部相配套的螺母74将螺栓固定到心轴24上。对本领域技术人员显而易见的是，可以采用 液压顶止动件的各种替代物并且可以选择用于将止动件固定在心轴上的其他各种手段。例 如，在另一实施例中，止动件68可包括插入孔口 70中的锚固件。如图9中更清晰所示，心轴24可设置有数列孔口 70以适应管道32的各种长度， 每列孔口沿着心轴位于不同的轴向位置。在使用时，管道32首先套在心轴24上滑行并朝向第一密封装置26移动。使靠近 第一密封装置26的管道的第一端与密封板42接触，更具体而言，使管道32的第一端完全 对准密封件48。接下来，第二密封装置50滑过与第一密封装置26相对的心轴的第二端。通过首先滑动密封圈52，接着滑动压紧环54最后滑动施力环56来安装第二密封 装置50。布置密封圈52以确保弹性密封件62接触管道32的端部。使第二密封装置50朝
8向管道移动，最后将止动件68设置在心轴上适当列的孔口 70处。应该理解，在一个实施例 中，可以在插入止动件68之前对第二密封装置50施加一定力以便对设备“预先加载”。一 旦安装上止动件68，必要时将止动件固定在心轴上，液压顶66就起作用。液压顶66用于沿轴向朝管道32的第二端对压紧环54和密封圈52施力。止动件 68防止施力环56远离管道32发生轴向移动。因此，本领域技术人员将理解，由于朝向固定 于心轴24上的第一密封装置26对管道32的第一端施力，因此由液压顶66施加的力导致 密封装置26和密封装置50均被压紧向管道32的两端。由于密封件48、60和62的存在， 这进而导致在以下部分之间形成密封a)管道32的第一端与第一密封装置26之间；b)管 道的第二端与第二密封装置50之间；以及c)心轴24与第二密封装置50之间。这些密封 的结果是形成由心轴24的外表面、管道32的内表面以及第一密封装置26和第二密封装置 50限制的环形密封的空间。在图9中以76局部显示了该环形空间。一旦通过安装两个密封装置26和50而形成密封的环形空间76，就可开始对管道 进行完整性检测。该检测包括下述步骤向环形空间76填充通常为不可压缩流体的流体， 并且对该流体加压同时监测环形空间76内的压力。本领域技术人员将理解该检测方法。为了对环形空间76进行填充，本发明的设备需要一种对环形空间进行填充和排 出或排放的装置。图10示出了如何进行这种填充的一个实施例，其中以与上述相同的附图 标记表示相同的图形但为了清楚对附图标记添加字母“a”。图10以26a显示第一密封装置 的另一实施例。在本实施例中，第一密封装置包括环形盘42a代替如上所述的板42。该盘 42a设置有延伸穿过盘42a的至少一个孔口 78。通道80从孔口 78伸出，并且通道80通过 孔口 78与一旦将设备与待检测管道装配在一起即形成的环形空间76流体连通。利用诸如 软管或类似装置等任何已知的装置将通道80连接于流体供应源(未示出)。应该理解在密 封装置26a上可设置任何数量的通道或孔口。本领域技术人员将理解，具有至少一个填充 通道和一个排放通道有助于对环形空间76填充和排放。还应该理解优选一个通道在竖直 方向上高于另一通道以进一步有助于环形空间的填充和排放。本发明并不限于填充/排放 通道的任何数量和位置。还应理解的是尽管图10示出了第一密封装置包括环形盘的实施 例，但通道80也可设置在(前图中的)板42上。图11示出了填充/排放系统的另一实施例，其中通道82设置在心轴24上。在本 实施例中，通道82设有一孔口 84通入在心轴24、管道32以及密封装置(为了清楚仅示出 一个密封装置)之间形成的环形空间76。如图11所示，在另一实施例中，通道80和通道 82两者可设置在同一设备上。如上所提及，本领域技术人员应当理解，优选一个通道例如通 道80在竖直方向上高于另一个通道82以有助于填充和排放过程。如上所述，在所述设备上还设置有压力表(未示出)以便能够监测环形空间76内 的压力。在一个实施例中，可以设置另一通道79，压力表81永久地安装在该通道79上。在 另一实施例中，如本领域所公知加压流体源可设置有压力表。本领域技术人员将理解可在 本发明中使用监测环形空间中压力的任何装置。本领域技术人员将理解本发明中的设备可适于检测任何直径或长度的管道。例 如，该设备可用于直径大于3英寸的管道和长度为1英尺到100英尺的管道。管道长度的 上限不必受限，但本领域技术人员应理解任何较长的长度将造成本发明中的设备非常庞大 而笨重。此外，管道的长度大将由于增加的重量而需要增加的起重力，尽管检测过程可以实
9施但使得该过程难以操控。正如本文所述，本发明的优势之一在于能够使用最少量的检测 流体实施管道检测。因而，为了充分实现这种优势，本领域技术人员将理解心轴的尺寸应接 近以使心轴的直径接近于被检测管道的直径。在一个实例中，如果被检测管道的直径为54 英寸，则心轴的直径优选为50英寸。应该理解任何尺寸仍允许本发明的设备可操作。在一个实施例中，第二密封装置50可以可取下地安装在设备的框架12上。在图 2中示出了这一方面，其中第二密封装置50显示为可选地安装在摆臂51上。摆臂51进而 安装到基座53上，该基座53可转动地安装在框架12上。在本实施例中，当需要第二密封 装置50时，如上所述只需将第二密封装置摆入位置并安装。可选地，如上所述第二密封装 置50可以单独设置进而固定。在以上描述中，涉及在结构上不同于第二密封装置50的第一密封装置26或26a。 然而，应该理解可以在被检测管道32的两端使用第二密封装置50。此外，以上描述涉及大致沿水平方向使用的本发明的设备。然而，应该理解该设备 也可以沿任何方向布置，例如沿竖直方向布置，并且起到同等的作用。例如，参考图1，第一 密封装置26可以形成为该设备的基底，并且待检测管道32套在沿竖直方向延伸的心轴上 滑行。这种沿竖直方向的布置对于较大直径的管道而言可能低效。在图12中示出了本发明的另一实施例，其中为了清楚，相同的元件通过加后缀 “b”来表示。在图12中，待检测管道32b不是直线状而包括弯曲部。这种管道例如可包括 肘管、三通管(“T”pieCe)、分叉管("Y"piece)等。在这种情况下心轴24b必须也包括 弯曲部。应该理解在一些情况下，管道32b的弯曲部太尖锐以至于不能使同样形状的心轴 24b插入其中。然而，在可以实现这种插入的情况下，如图12所示，心轴24b可以设置有如 上所述的第一和第二密封装置。在图12的实施例中，注意到心轴24b将设置有两个相同的 密封装置50b并且每个密封装置与上述第二密封装置50具有相似的构造。应该理解设置 在心轴24b上的密封装置之一可以如同以上所述的第一密封装置26和26a —样被永久固 定。应该理解以上描述着重于具有恒定直径的管道32。然而，在一些情况下，待检测 管道段可能在每一端具有不同的内径。在这种情况下，用在所述设备中的心轴24的尺寸将 依管道的最小直径而定。进而第一和第二密封装置的尺寸将依与其相关联的管道的各端而定。图13示出了本发明的又一实施例，其中与上述元件相似但不相同的元件以相同 的附图标记表示，但为了清楚添加了字母“C”。在本实施例中心轴24设置有永久安装的法 兰88。如本领域所公知，法兰88可包括大致环形盘，在环形盘具有大致中心孔，心轴24的 一端可插入该中心孔。法兰88可以借助于焊缝90或本领域所公知的其他手段安装到心轴 24上。法兰88包括至少一对且优选为多个螺栓孔，螺栓92穿过螺栓孔伸出。第一密封装 置可包括环形盘或板42c，其包括一组互补的孔口以容纳螺栓92。与螺栓92配套的螺母94 设置成将环形盘42c紧固到法兰88上。应该理解螺栓92可以永久地安装到盘42c和/或 法兰88上，由此要求螺栓92仅一端需要螺母94。在本实施例中，可根据需要更换本发明的 心轴24而不更换第一密封装置。应该理解此功能使本发明的设备可迅速适于被检测管道 32的任何直径。在图13的实施例中，排放/填充通道80和82示为类似于图11中的排放 /填充通道。
图14至图21示出了本发明的其他方面，其中与上述相似的设备适于检测由连接 在一起的多段管段组成的管道节。如本领域所公知的，实现这种连接的通常形式为焊接。在 一方面中，如以下进一步所论述，该设备还适于辅助管道段的焊接，从而可以依次且以省时 的方式实施焊接和检测步骤。图14和图15示出了本发明的一方面，其中待检测管道100由五个区段102、104、 106,108以及110组成。尽管示出了五个区段，但应该理解管道100可以由任何数量的区段 形成并且该区段可以具有任何期望的长度。例如，在一方面中，每个区段可以长二十英尺， 由此得到长度为一百英尺的管道。显然，这仅是一个实例，可以采用区段数量和区段长度的 众多其他组合。如图15所示并且按照与上述相似的方式，将各个管道区段套在心轴112上。为了 与之适应，应该理解心轴112的尺寸将设置为具有比管道区段的内径小的外径。此外，心轴 112可以设置为单一单元或者可以由组装在一起的多段组成。后一种形式为优选以使得心 轴可适于管道的任何尺寸或长度。也就是说，通过由可互换的段形成心轴，可以容易地调节 心轴的整体长度。作为实例，图15示出了在两心轴段之间的交界处形成的接缝114。这种 接缝例如可包括将相邻两心轴段连接在一起的环形焊缝。尽管优选这种焊接，但可以使用 各种其他连接方法。从本文的论述显而易见，优选将心轴段之间的接缝密封以便允许实施 检测程序。因而，在一个实施例中，接缝114可包括弹性密封件，一旦施力将心轴段合在一 起，该弹性密封件就在相邻心轴段之间形成所需的密封。应该理解，仅仅要求在心轴与管道 之间形成环形空间由此可以实施管道检测方法。因而，可以采用各种可行的密封方法来对 心轴段之间的接缝114进行密封。各心轴段的长度可以选择性地对应于各管道区段的长度。这样允许心轴的整体长 度可以容易地与管道100的长度吻合。然而，应该理解确定心轴长度的方式没有要求。此 外，应该理解本发明的设备可以使用不同直径的心轴段，由此允许适应管道区段的各种直径。如同前述设备一样，心轴112和装载后的管道100被支撑在框架116上，该框架 116具有大致竖直定向的端部118和水平主体部分120。如同以上所述的框架一样，图14 至图20所示的框架116可以具有任何设计来达到本文所述的目的。简要地，竖直端部118 用于支撑以上所论述的第一密封装置。框架116的水平部分120用于支撑心轴112和装载 后的管道100。为了适应于管道和心轴的各种长度，也可以对框架进行模块化设计，其中框 架112的水平部分120由一段或多段组成。如图14所示，在一个实施例中框架112可以包 括五个水平段121、122、123、124、125。如同心轴112的各段一样，此结构布置允许框架116 包括与管道区段的长度相对应的各段。这样，一旦选定管道区段的数量，通过与各段的数量 相匹配就可容易地确定心轴112和框架116的长度。然而，应该理解此取向仅是一个实施 例，并且并不要求心轴或框架需要被模块化或者心轴或框架的各段长度必须与管道区段的 长度相吻合。在一个实施例中，框架114可以具有与上述框架相似的结构。例如，如图14至图 16所示，框架114的水平部分120可包括通过一个或多个顶板和底板彼此连接的相对的长 形的且沿水平方向布置的结构件126和128。在一个实施例中，如图16所示，水平部分120 分别包括顶板130和底板132两者。在一方面中，结构件126和128可包括公知的“I”型
11梁。尽管示出并描述了框架114的一个优选结构，但本发明可以使用各种其他的布置或取 向。如上所述，在优选实施例中，将心轴112的各段焊接或以其他方式密封地连接在 一起。然而，可以仅使用托架134或其他任何类似装置将框架114的水平部分120的各段 121 125连接。如图14和图15所示，托架可包括栓接到结构件126和128的相邻部分上 的凸缘。在另一实施例中，可以将上述相邻部分焊接在一起。如同前述实施例一样，支撑心轴112和管道100的框架114设置有大致沿着水平 部分120的长度的多个支撑滚轮136。如图16a和16b所示，各支撑滚轮136优选包括固 定在壳体140内的球型滚轮138，该壳体140进而与框架114的水平部分120的上部连接。 下面论述优选使用球型滚轮的理由。如图所示，在一个优选实施例中，支撑滚轮136设置成 四个为一组且互成角度以便容纳心轴112和管道100的弯曲表面。例如，如图16a和图16b 所示，一组四个支撑滚轮布置成外侧滚轮的高度稍高于两内侧滚轮的高度。应该理解尽管 图16a和图16b示出了所呈现的滚轮四个为一组，但在一些情况下一组可仅需两个滚轮。这 将出现在例如检测小直径管的情况下。在其他实施例中，可以使滚轮的布置和高度可调节 以便适应管道和/或心轴的各种尺寸。如图15所示，首先借助于与前述类似的吊车34将各个管道区段(诸如所示出的 区段102)与心轴112大致沿轴向对准。本领域技术人员将理解，吊车34可包括用于调动管 道区段并且将该区段装套在心轴上的任何类型的设备。例如，吊车可包括起重机等，或者可 与起重机等连接。一旦如图15所示就位，管道区段就套在心轴112上滑行。在此过程中， 通过管道区段102使心轴112脱离滚轮136同时滚轮136辅助管道区段102套在心轴112 上沿轴向的滑行。如图17a所示，心轴112的外表面优选设置有多个滑动垫142以便辅助管道区段 通过心轴外表面，同时辅助心轴在管道内腔中的定位以防止心轴的下表面抵靠管道。前一 功能用于将管道表面和心轴表面在相对于彼此移动时两者之间的摩擦降到最低程度。就 此而言，滑动垫142优选可由摩擦系数低的材料制成。如上所述，优选滑动垫142由诸如 Teflon 等四氟乙烯材料制成或涂覆有这种材料。关于滑动垫142的心轴定位功能，如本 文所指出的，对管道100的检测步骤使用一旦管道就位时在心轴与管道之间形成的环形空 间。照这样，心轴将需要被抬升以防止心轴与管道表面之间的连续接触。尽管图17a示出 了使用滑动垫142，但本领域技术人员将理解可以使用其他任何类似的装置。例如，可以用 设置在心轴外表面上的轮子或滚轮或者其他任何类似装置来替代滑动垫142。例如，可以 用容纳在各壳体中的球型滚轮来替代滑动垫142，其中所述壳体安装在心轴表面上。另外， 图17a示出了遍及心轴的整个表面设置滑动垫142。这种布置用于在插入步骤过程中引导 管道。然而，如前所述，滑动垫142 (或者其同等作用的轮子或滚轮等)可仅设置在心轴112 的下表面上。图17b示出了在装载管道区段之后的图17a的心轴。如图所示，管道100的端部 由区段108和110组成。同样如图17a和图17b所示，当未装载管道区段时，支撑滚轮136 用于支撑心轴112，在装载管道区段之后，支撑滚轮136也支撑管道100。图18示出了显示优选实施例的本发明的完整心轴112，其中滑动垫142设置在心 轴的外表面上。图18还示出了第一管道区段102正装套在心轴上。如图所示，第一区段
12102与心轴的后端144对准并且滑过整个长度直至第一区段102到达心轴前端146为止。 图19示出了在装载到心轴112上之后的完整管道100 (包括全部区段102 110)。如上所 述，管道100被支撑在支撑滚轮136上。再次参考图16a和图16b，示出了在支撑滚轮136上处于安装位置的一段管道100 的横截面。图16a示出了不带有心轴的管道，而图16b示出了心轴和管道的组合。图16b 也示出了可设置在心轴上的滑动垫142。如图所示，在一个实施例中，将心轴112和滑动垫 142的尺寸设置为提供管道100的内表面与滑动垫142之间的接触。如上所述，图16a和图 16b示出了支撑滚轮136为球型的本发明的实施例。同样如上所述，由于允许转球138沿 各个方向运动，因此这种球型滚轮就调动心轴112和/或管道100这方面而言可提供多种 优势。然而，应该理解本发明不限于这种类型的支撑滚轮，并且可以使用各种替代的支撑装 置。例如，在一个实施例中可以用轮子(图中未示出)替代球型滚轮。可以以类似于脚轮 的方式枢轴地布置这种轮子。可选地，可将轮子定位成在与心轴的纵向轴线平行的平面内 转动。这种布置将允许管道100套在心轴112上滑行但通常不允许管道100绕着自身轴线 旋转。然而，如下所述，此布置也适用于本发明。图20a、图20b以及图21示出了包括框架114的大致竖直部分116的设备前端 146。如图所示并且如根据前述实施例所述，心轴112邻近于设备前端146的端部包括端板 148。端板148设置为覆盖心轴的该端部的盖体并且设置成具有也足以覆盖管道开口的直 径。如前一样，端板148优选设置有用于密封管道端部的装置。在一个实施例中，端板148 设置有大致圆形凹槽(图20a、图20b以及图21中未示出)，该圆形凹槽与被检测管道的直 径相对应并且适于将管道的端部容纳在凹槽中。该凹槽设置有弹性密封材料以便在将管道 推入凹槽中时在板148与管道的端部之间形成密封。以上已结合本文所包含的其他附图描 述了这种密封布置且本领域技术人员对此应该理解。在一个实施例中端板148永久地安装 在心轴112的端部上或以其他方式固定到心轴112的端部上。如同前述实施例一样，可以以多种方式将端板148固定到框架114的竖直部分116 上。例如，可以将板148固定到框架的直立结构件150和152上。然而，在图20a、图20b以 及图21所示的实施例中，端板148安装到驱动轴154上，该驱动轴154进而与齿轮箱156和 连带的电动机158连接。齿轮箱156和电动机158固定到框架114上。在一个实施例中， 如图21所示，框架114设置有平台160，通过螺栓或其他类似紧固件将电动机158和齿轮 箱156固定到平台160上。在框架竖直部分116上可设置轴承162以支撑驱动轴。以这样 的方式将驱动轴154固定到端板148上S卩，驱动轴154的旋转(作为电动机和齿轮箱的结 果)驱动端板148的旋转。在本实施例中，由于板148固定到心轴112上，因此应该理解板 148的旋转导致心轴112绕着自身的纵向轴线旋转。心轴的后端包括诸如上述的第二密封装置。就此而言，涉及图7至图9中所示的 实例。如参考这些附图所述，一旦将第二密封装置固定到管道100和心轴112上，就在心轴 112、管道100以及管道两端的相对的密封装置之间形成密封的大致环形的空间。如上所 述，第一密封装置包括端板148。第二密封装置对管道100的相对端施加压力由此形成所需 的密封。一旦将管道100安装在心轴112上，心轴的旋转将由此导致管道也旋转。就此而 言，如图16所示，支撑滚轮136允许管道在支撑滚轮上沿周向滚动。因而，应该理解，将支撑滚轮136设计为沿着平行于心轴轴线的方向滚动(用于辅助将管道装套在心轴上)并沿 着垂直于心轴轴线的方向滚动(用于辅助管道/心轴组合的绕轴旋转)。如上所指出，在一个实施例中，滑动垫142和/或心轴112的尺寸可设置为与管道 100的内径相对应以便在管道与滑动垫之间形成摩擦配合。由于将垫142固定到心轴上，因 此应该理解这种布置用于辅助管道随着心轴的旋转而旋转。图20a示出了设备的前端146并且示出了装载管道区段之前的心轴112。图20b 和图21示出了装载管道区段之后的设备。在一个实施例中，例如如图20a、图20b以及图21所示，端板148可设置有用于辅 助定位和/或固定管道100的若干夹具或引导臂164。管道的固定将有助于使管道随着心 轴的旋转而旋转。图20a示出了处于“打开”或退避位置的引导臂164，其中引导臂适于容 纳管道区段102。图20b示出了处于“关闭”位置的引导臂164，其中管道区段102被“握紧” 并且保持在原位。如图21更清晰地示出，引导臂164固定在端板148的背面166即与心轴 112相反的面上。弓丨导臂164绕着端板148沿周向间隔且引导臂164的数量例如随着管道 的直径而改变。在一个实施例中，如图20a、图20b以及图21所示，可设置四个引导臂164 且各引导臂沿着端板148的圆周彼此间隔大约90°。引导臂164包括固定到端板148的 背面166的基座168。臂164优选包括一个或多个铰链170以将所述臂活动连接。臂164 还包括轴承端部172，该轴承端部172包括轴承垫174。该轴承垫适于接触管道100的外表 面并且可由对于本领域技术人员来说显而易见的任何材料形成。在一个实施例中，轴承垫 174可由橡胶或类似于橡胶的材料形成以便于握紧管道表面。然而，轴承垫不限于这种材 料。将引导臂164设计为可在打开位置与关闭位置之间移动。在打开位置，臂164退避由 此允许管道100卡合在设置于端板148的凹槽中(如上所述)。在此过程中，可以调节引导 臂164以允许管道100配合在轴承垫174之间，由此确保管道100容纳在前述凹槽中。一 旦管道100被如此定位，可伸出引导臂164由此使轴承垫174抵靠管道100的外表面。这 允许引导臂164握紧管道的外表面。此布置在心轴旋转过程中有助于管道的旋转。应该理 解尽管已就下述两个功能而言描述了引导臂164 卩，相对于心轴112的端板148定位和稳 固管道，但所述臂可根据需要发挥其中一个功能。还应理解可以全部省略所有引导臂164。现在将论述旋转心轴的目的。鉴于根据本实施例的管道100由多个区段组成的事 实，必须首先将这些区段焊接在一起以形成接连的管道。然后在将该管道投入使用之前需 要检测焊缝的完整性。因而，本发明允许以省时且节约成本的方式实施管道区段的接合和 所形成管道的检测。所进行的过程包括首先将期望的管道区段装套在心轴112上。如上所 述，通过在心轴112的外周定位并引导各管道区段来完成上述装套步骤。一旦布置好期望 的区段，就接合密封装置以对管道100施加轴向压力。此时，接入电动机，并且安装有管道 100的心轴112在支撑滚轮138上旋转。随着管道100如此旋转，一个或多个人工的或自动 的焊接设备用于焊接管道100的相邻区段之间的各接缝。一旦焊接完所有的接缝并且形成 接连的管道100，就允许将焊缝冷却。一旦焊缝被冷却，就可开始检测阶段。此时，设置在密封装置和/或心轴上的一个 或多个通道(例如如图10、图11和图13所示)用于向心轴112与管道100之间的密封的 环形空间填充加压流体。将环形空间加压至期望值，然后监测该压力是否有任何降低。压 降表明一个或多个焊缝存在缺陷。在这种情况下，对环形空间减压并且重新焊接接缝或检
14查。如上所述，在一个可选实施例中，可用铰接轮子或脚轮替代球型支撑滚轮136。这 种布置仍将允许需管道100绕自身的纵向轴线旋转。然而，在上述另一实施例中，用沿一个 方向旋转的轮子替代球型支撑滚轮，这允许管道100套在心轴上滑行但不便于管道的绕轴 旋转。在这种情况下，可以将管道100抬升到所述轮子上方并且借助于如上所述的电动机 来旋转。然而，在又一个实施例中，管道可以在轮子(或者即使是支撑滚轮136)上保持在 原位，在这种情况下焊接设备可以在各区段接合处绕着管道100的圆周旋转。尽管这种布 置可能不是在所有情况下为优选，但应该理解本发明包括这种布置。尽管参考某些具体实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说在不脱离所 附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下各种变型是显而易见的。
权利要求
一种用于检测管道的完整性的设备，所述管道具有第一端和第二端，所述第一端具有第一开口，所述第二端具有第二开口，所述管道由两个或更多个区段形成，所述设备包括框架，其具有第一端和第二端；长形的心轴，其具有第一端和第二端，所述心轴的长度至少与所述管道的长度相对应，并且所述心轴的外径小于所述管道的内径，其中，当使用时，所述心轴适于容纳在所述管道内以形成心轴和管道组件；所述心轴被支撑在所述框架上，并且所述心轴的所述第一端固定于所述框架的所述第一端；所述心轴的所述第一端包括用于密封所述管道的所述第一开口的第一密封装置，并且所述心轴的所述第二端包括用于密封所述管道的所述第二开口的第二密封装置，由此，当使用时，在所述心轴、所述管道以及所述第一密封装置和第二密封装置之间形成大致环形空间；所述设备包括用于向所述环形空间填充加压流体或者用于将空气或所述流体排出所述环形空间的一个或多个通道以及用于监测所述环形空间内的压力的装置；所述设备还包括用于将形成所述管道的所述两个或更多个区段永久地接合在一起的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于接合所述两个或更多个区段的所述装置至 少包括一个焊接装置。
3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括当将所述管道装套在所述心轴上时用于使 所述心轴和管道组件绕着所述心轴的纵向轴线旋转的装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述框架包括多个支撑滚轮，所述 多个支撑滚轮设置在所述框架上用以支撑所述心轴或所述心轴和管道组件。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述支撑滚轮允许所述管道沿着与所述心轴的 所述纵向轴线平行的方向移动以辅助所述管道在所述心轴上的定位，并且所述支撑滚轮允 许所述管道围绕所述心轴的所述纵向轴线绕轴旋转。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述心轴还包括在所述心轴的外表 面上径向向外伸出的多个沿周向和纵向间隔的伸出部分，所述伸出部分适于接触所述管道 的内表面，由此当使用时，所述伸出部分允许所述心轴在所述管道内的定位。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述第一密封装置包括端板，所述 端板固定在所述心轴上，所述端板包括用于与所述管道的所述第一端形成密封的密封件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述第二密封装置包括环形密封圈，其同轴地设置在所述心轴上且靠近所述管道的所述第二端，所述密封圈 具有比所述管道的直径大的外径；所述密封圈包括第一密封件和第二密封件，所述第一密封件适于在所述密封圈与所述 管道的一个端部之间形成密封，所述第二密封件适于在所述密封圈与所述心轴的外径之间 形成密封；以及用于朝向所述管道对所述密封圈施力的装置。
9.根据权利要求3所述的设备，其中，所述用于旋转的装置包括驱动轴，所述驱动轴具有与驱动装置连接的第一端和与所述第一密封装置的所述端板连接的第二端，其中，当使 用时，所述第一密封装置的旋转促使所述心轴旋转。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述端板包括两个或更多个引导臂，所述引导 臂用于在所述管道定位在所述心轴上时对所述管道进行定位或夹持。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述框架的长度和所述心轴的长 度可调节以适应于所述管道的不同长度。
12.—种形成和检测由两个或更多个区段组成的管道的方法，所述方法包括 提供固定在框架上的心轴，所述心轴的长度至少等于待形成的管道的长度；同轴地将所述管道区段套在所述心轴上并且将所述各区段推压在一起以形成所述管 道，由此形成心轴和管道组件，所述心轴和管道组件包括位于所述心轴与所述管道之间的 环形空间；密封所述环形空间的相对两端； 焊接所述管道区段之间的接合处； 向所述环形空间填充加压流体；以及通过监测在所述环形空间内形成的压力来检测所述管道的完整性。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在焊接步骤中使所述心轴和管道组件绕轴旋转。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括将所述管道摩擦地固定到所述心轴上， 由此所述心轴的绕轴旋转导致所述管道的绕轴旋转。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括在检测步骤之后从所述心轴沿 轴向去除所述管道。
全文摘要
一种管道形成和检测设备，包括支撑心轴的框架、适于定位在所述管道内的所述心轴、以及两个密封装置，所述两个密封装置与所述心轴连接并且适于对所述管道的相对两端密封以便在所述心轴、所述管道以及所述密封装置之间形成环形空间。所述管道由被焊接在一起的两个或更多个管道区段形成。所述设备至少包括一个用于接合所述管道区段的焊接装置，并且优选包括使心轴和管道组件绕轴旋转以便于焊接工序的旋转装置。所述管道一旦形成后，通过对所述环形空间加压并且监测该压力来检测所述管道的完整性。
文档编号G01M3/28GK101939629SQ200880123101
公开日2011年1月5日 申请日期2008年12月24日 优先权日2007年12月28日
发明者格伦·卡森 申请人:卡泊尔投资公司