专利名称：顶管设备和生产小径管件的方法
技术领域：
本发明总体上涉及成本节约、效率高的将管件定径和定型的系统和方法尤其适合于具有严格的尺寸公差和/或不规则构造的情况。
背景技术：
常规的连续管坯轧机是极其复杂的装置，需要大量的资金投入，这些投入只有在充分利用高生产量的情况下才能得到补偿。但是对于投资负担相对较低的小型工厂而言，存在日益增长的世界性需求。这对专用管道企业尤为重要，该企业用长的空心管来制造特用管件可能成本更不堪承受。
专用管件(或管材)指各种高质量订做的管制品，其要求严格的公差、精确的尺寸控制和特殊的冶金性能。专用管件典型应用于汽车制造、建筑和农业设备、石油工业用管材(OCTG)应用，石油化工应用和诸如液压缸、机加工零件和印刷辊的工业应用。OCTG是典型应用于管制品的标识，由石油勘探和制造的客户使用，例如管材、套管、小型节头、立管和联接器。
为了生产符合更严格的标准的专用管件，由传统方法，例如电阻焊(ERW)技术，生产的管件随后被加工以形成具有更严格质量的专用管件。通常，专用管件需要定径以符合客户标准。缩小管外径的典型方法包括使用辊子或通过一模具拉拔。使用辊子通常是不利的，因为辊子系统常常无法生产具有严格公差要求的管件。许多专用管件，如汽车工业中的稳定杆，要求每英寸的9/1000的精确公差。
其他管件定径方法，例如通过模具拉拔，可生产具有严格公差要求的管件。然而，拉拔系统同样存在缺点。通过模具拉提管件通常要求辅助预处理和后处理操作。例如，要求的预处理操作包括酸洗和润滑管件以及锻模管件的一端(由此导致大约12％的材料损耗)。拉拔管件还通常需要后处理操作以将管件矫直并进行应力释放。应力释放常常是必需的，因为典型的拉拔系统采用芯轴线，该芯轴线使得管件在被拉拔穿过相应模具时丧失大部分的断裂韧性。
发明内容
根据本发明的教导，描述了一种用于管件定径的系统和方法，该系统和方法基本减少了前述管件定径系统和方法所具有的不足和问题。在一个实施例中，管件定径系统包括一个具有用于管件定径的开口的模具、一个具有至少一根附接其上的杆的液压缸、该液压缸和该至少一根杆彼此协同工作以推动管件穿过模具、以及一个在管件脱离模具时引导管件的接收装置。
在本发明的另一方面，用于管件定径的顶管系统包括一个具有用于管件定径的开口的模具、一个具有至少一根附接其上的杆的液压缸、该液压缸和该至少一根杆彼此协同工作来推动管件穿过模具以形成一根定径管件、一个在该定径管件脱离模具时引导该定径管件的接收装置。该接收装置用来处理定径管件以形成特殊的形状或构造。
在本发明的一个实施例中，用于至少两根管件定径的顶管系统包括至少两个具有用于至少两根管件定径的开口的模具、一个具有至少两根附接其上的杆的液压缸、该液压缸和该至少两根杆彼此协同工作以推动该至少两根管件穿过该至少两个模具、以及至少两个在该至少两根管件脱离该至少两个模具时引导该至少两根管件的接收装置。在优选的实施例中，该至少两个模具包括三个模具，该至少两根杆包括三根杆，该至少两个接收装置包括三个接收装置。
在本发明的另一实施例中，缩小管件外径的方法包括将管件定位以穿过具有一纵轴线的模具、使用至少一个液压缸推动管件穿过模具、并在管件脱离模具时控制管件相对于该纵轴线在垂直向(x向)和横向(y向)的运动。在一个实施例中，该方法还包括使用该至少一个液压缸同时地推动第二根管件和第三根管件穿过第二个模具和第三个模具。在另一实施例中，该方法还包括不使用芯轴线而推动管件穿过模具。
在本发明的一个实施例中，缩小管件外径的方法包括将管件定位以穿过具有一纵轴线的模具、使用至少一个液压缸推动管件穿过模具、在管件脱离模具时控制管件相对于该纵轴线在垂直向(x向)和横向(y向)的运动、并在管件脱离模具时执行至少一个模制后操作。在某些例举性实施例中，该至少一个模后操作包括处理该管件。在另一例举性实施例中，该至少一个模制后操作包括检测该管件。
在本发明的另一实施例中，用于形成一个用以管件定径的顶管设备的方法包括，安装一个具有一纵轴线和一用于管件定径的开口的模具、沿该纵轴线安装一个具有至少一根附接其上的杆的液压缸、并沿该纵轴线安装一个接收装置。
本发明的教导可以用于将管件的各部分定径，该管件应用在汽车、建筑和农业设备以及OCTG、石化和其他工业应用领域。
附图简要说明对本实施例及其优点更完整和彻底的理解可以借助下述与附图相结合的说明来获得，附图中相同的附图标记代表相同的部件，并且附图中附
图1为显示了结合本发明之教导的管件定径系统一个实施例的平面示意图；附图2为沿附图1中线2-2的示意图；附图3为沿附图1中线3-3的示意图；附图4和5描述了根据本发明之教导的模具的纵轴线线、垂直轴线线和水平轴线线；附图6为显示了根据本发明之教导而定径的管件的示意图；附图7为显示了根据本发明之教导的一管件定径系统在管件定径之后的顶视示意图；附图8至10为显示了根据本发明之教导的用于管件定径的一顶管系统一个
具体实施例方式
本发明的优选实施例及其优点可结合附图1至17很好地理解，其中相同的标号代表相同的零件。
附图1显示了在管件18被定径之前的根据本发明之教导的管件定径系统一个实施例。管件定径系统20可包括顶管部40、模具组件70和接收部80。附图2显示了管件定径系统20沿附图1中线2-2所示的侧视图，附图1显示了支承在基座30上的顶管部40、模具组件70和接收部80。基座30可用作管件定径系统20的基底。
如附图1所示，顶管部40可包括液压缸14、杆16、杆导引装置26、轨道28a和28b、联接器19和支承装置24。顶管部40通常包括液压缸14。液压缸14提供能量以推动管件18穿过模具组件70。在某些例举性实施例中，液压缸14具有可控的推动速度。在其他实施例中，液压缸14能提供可变的推动速度。与其他诸如使用辊子的定径系统相比时，具有可控的推动速度可为定径、处理和检测管件18提供更多的控制。
液压缸14可附接于杆16。杆16可分离地接合管件18并用以将管件18移入到模具组件70中。为了推动管件18穿过模具12，杆16优选地包括联接器19，该联接器19的内径108大于管件18的外径104(见附图6)。杆16还优选地具有小于模具12的出口直径44的外径100，这样杆16的各部分可穿过模具12(见附图4和6)。附图7显示了一个实施例，其中液压缸14已经推动管件18和杆16的一部分穿过模具12。在另一实施例中，杆16可与杆导引装置26(这里显示位于轨道28a和28b上)相联接，其可帮助引导管件18穿过模具12。
杆16可通过使用联接器19联接于管件18。联接器19可以是中空筒体，该联接器可操作以便可分离地将杆16接合于管件18。附图6显示了杆16接触管件18的末端18a的细节。联接器19最好具有大于杆16的外径100的内径108，这样杆16的各部分可穿过联接器19。联接器19最好还具有大于管件18的外径104的内径108。
管件18通常可包括但不局限于焊接钢管或ERW管。焊接管常常由成卷带钢或厚钢板通过制管方法例如ERW(热电阻焊)制管法、TIG(钨极惰性气体)保护焊制管法、或激光焊制管法，从而得到管件18。在本发明的特定实施例中，管件18在定径之前具有大约1英寸到大约5.5英寸的外径104(见附图6)。
为了本申请的目的，管件18可以指以下任何一种一管件、一管坯、多个管件、多个管坯或其组合。不同工业中术语管件(pipe)和管坯(tube)存在区别。例如，一些工业中管件指成品而管坯指半成品。管件和管坯之间的区别还可包括尺寸控制的不同。例如，管坯可具有对内径、外径和壁厚的尺寸控制。但是，管件只具有对内径和壁厚的控制。由于上述原因，术语管件18应认为包括一管件、一管坯、多个管件、多个管坯、相关结构和/或其组合。
在本发明的可选实施例中，顶管部40可包括支装置24。支承装置24可支持管件18并防止管件18在被推动穿过模具12时弯曲。支承装置24还可帮助将管件18引导穿过模具12。支承装置24最好支持在大约管件18的中点处。在一些实施例中，支承装置24可以是可移动支承装置。如附图1中所示，支承装置24可沿轨道28a和28b移动。附图7显示了液压缸14将管件18推动穿过模具12后的管件定径系统20。在附图7，液压缸14已经将可移动支承装置24压靠在模具12上。在一应用中使用支承装置24的决定依赖于这些因素如管件18的柱的纵向强度以及管件18的长径(L/D)比。在一些应用中，操作者可决定使用不止一个支承装置24。，本领域技术人员根据有利于该应用的情况可明白使用支承装置24的合适的情况。
管件定径系统20包括模具组件70。模具组件70可包括模具外壳11和模具12。模具12缩小管件18的外径104以形成外径106(见附图6)。附图3显示了沿附图1中线3-3所示的示意图。附图3显示了基座30和模具组件70，该模具组件70显示出模具外壳11和模具12，该模具12设有用于使管件18定径的开口41以及模具12的垂直(x)轴线和水平(y)轴线。模具外壳11可用于合理定位及固定模具12。附图4和5显示了模具12的纵轴线、垂直轴线和水平轴线。附图4显示了带有入口径42和出口径44以及纵轴线43的模具12。附图5显示了沿附图4中线5-5所示的示意图。附图5显示了模具12和纵轴线43以及垂直(x)轴线和水平(y)轴线。不同类型的、可在市场上购得的模具可符合要求地用于本发明的实施例。在某些例举性实施例中，模具12可将管件18的外径104缩小大约1％至大约20％。
在本发明的一个实施例中，一旦管件18脱离模具12，管件18进入接收部80。在某些实施例中，接收部80可包括接收装置22、接收导引装置27、轨道29a和29b、接收台62和轨道挡块32。接收装置22连接管件18并导引管件18。附图6显示了管件端部18b可分离地固定在接收装置22的凹槽109内。一旦管件18固定在接收装置22内，接收装置22可动作以引导并定型管件18。附图1显示了可生产直管的接收装置22的一个实施例。在附图1中，接收装置22沿着纵轴线43定位并保持垂直轴线和水平轴线固定不变。在该实施例中，接收装置22可以附接于接收装置导引装置27(这里显示出位于轨道29a和29b上)。在可选实施例中，接收装置22可移动的距离由轨道挡块32限定。附图7显示了一个实施例，其中接收装置22和接收装置导引装置27已经被轨道挡块32挡住。
附图8至10显示了顶管系统54中的接收部52。在该实施例中，接收部52可包括接收装置50。接收装置50可被移动和转动以形成特定形状的管件。管件18穿过模具12时，超过管件18的屈服强度，从而管件18脱离模具12时可被最小的能量弯曲。附图8显示了形状为斜槽的接收装置50，可将管件18折弯成曲线形状。附图9显示了接收装置50沿附图8中线9-9所示的正面视图。附图10显示了接收装置50的端面视图，该接收装置50能够绕着x和y轴线旋转。
附图11显示了顶管系统60的一个实施例，其中接收台62可被移动和旋转以形成具有特定形状的管件。在所显示的实施例中，接收台62可沿x轴线向上(位置62a)和向下(位置62b)移动接收装置22并因此将管件18折弯到理想形状。虽然图中未显示，接收台62同样也可沿y轴线移动。
在本发明的特定实施例中，管件定径系统20可包括各种模制后操作。附图12-15显示了包括管件处理和检测装置的模制后操作的特定例举性实施例。附图12-14显示了管件处理装置的例举性实施例而附图15显示了管件检测装置的例举性实施例。
附图12显示了本发明的典型管件热处理装置。管件18脱离模具12时，管件18进入淬火和回火系统。由于液压缸14可控制穿过模具12的推动速度，该推动速度可被调节为能够对管件18进行适宜的淬火和回火。在附图12中，奥氏体化线圈80可以在管件18脱离模具12后半其奥氏体化。接下来，在图示的实施例中，水淬线圈82可以是用来冷却管件18的水淬环。然后回火线圈84可以将管件18回火。虽然图示的实施例具有奥氏体化线圈80、水淬线圈82和回火线圈84的组合，其他实施例可以只包括一个线圈、不同的线圈组合或相对于模具处于不同顺序的线圈。在一个步骤内定径和热处理管件18可提高生产效率。
附图13显示了本发明的一个实施例，将涂布机86用作管处理装置。在附图13中，当管件18脱离模具12时，涂布机86把一个涂层涂在管件18上。在某些例举性实施例中，涂布机86可以是磷化机。附图13中还显示出，涂布机86之后可以是为需要烘干的管件涂层提供的烘干机88。
附图14描述了本发明的一个实施例，其中管件18在脱离模具12后进行机加工。在附图14中，钻头90在管件18从模具12脱离之后去除部分管件18。钻头90可沿着导轨92移动。导轨92可使钻头90以与液压缸14的推动速度一致的速度移动，从而使得钻头90与管件18同步移动。虽然附图14只显示了钻头90，本发明的其他实施例可包括其他加工刀具，例如锯。
附图15显示了本发明的一个实施例，其中管件18在脱离模具12时由检测装置94进行检测。检测装置94可以是超声波的管件检测装置或其他本领域已知的管件检测装置。在图示的实施例中，检测装置94为利用极靴接触管件18并检测管件18线性部的超声元件。在另一个实施例中，检测装置94为围绕管件18并检测管件18的360°的超声元件。虽然没有图示，管件定径系统20可在模具12之后设有不止一个的检测装置94。在管件18脱离模具12之后紧接着设置检测装置94能够立刻得到所生产管件18的质量反馈并可省去单独的管检测操作的需要。
附图16显示了本发明的例举性实施例，其中至少两根管件通过至少两个模具被定径。在附图16中，液压缸14和三个杆16a-c一起推动三根管件18a-c穿过三个单独的模具12a-c。当管件18a-c脱离模具12a-c时，接收装置22a-c可接合并定型管件18a-c。一次定径三根管件可提供更高的生产量和生产效率。
附图17描述了本发明用于管件定径18的例举性方法。该方法开始于步骤120。接着该方法进行步骤122，其中管件18沿模具12的纵轴线43定位。为了沿纵轴线43引导管件18，管件18的端部18a可以和杆16相接触(见附图6)。在本发明特定的例举性实施例中，联接器19可用来将杆16可分离地固定于管件18。
一旦管件18已经定位，该方法进到步骤124，其中操作者必须决定管件18是否需要支承装置24。诸如管件18的长度和直径等这些因素可以使操作者决定是否使用支承装置24。如果操作者决定不使用支承装置24，那么该方法直接到步骤128。如果操作者决定使用支承装置24，该方法进行步骤126，其中添加支承装置24以支承管件18。在某些例举性实施例中，支承装置24大约在管件18的中点处支承管件18。在管件18被支承装置24支承之后，该方法进行步骤128。
在步骤128中，至少一个液压缸14推动管件18穿过模具12。在该过程中，管件18的外径104缩小到外径106(见附图6)。在一些实施例中，管件18的外径104缩小大约1％到大约20％。
本发明的实施例包括不使用芯轴线而推动管件18穿过模具12。通过不使用芯轴线，管件18可比使用芯轴线的情况下损失更少的断裂韧性。
一旦管件18的一部分脱离模具12，该方法进到步骤130，其中管件18的运动相对于纵轴线43在垂直和水平方向受控。
在步骤130中，操作者可以决定通过在管件定径系统20中使用接收装置22来生产直管(见附图1)。在该实施例中，接收装置22为固定的接收装置，该接收装置在管件18脱离模具12时将管件18基本与纵轴线43同心对准地保持。在另一实施例中，操作者可决定形成具有特殊形状的管件18。在该实施例中，操作者可以在顶管系统54中使用接收装置50以改变管件18在脱离模具12时的垂直及横向运动(见附图8-10)。在某些实施例中，顶管系统60可以用于弯曲和旋转伸出的管件18(见附图11)。
一旦管件18已经穿过模具12，该方法进到步骤132。在步骤132中，操作者可以选择性地决定是否对管件18执行模制后操作。操作者可以决定执行的一个模制后操作是处理管件18。如果操作者决定不处理管件18，该方法进行步骤136。如果操作者决定处理管件18，该方法进行步骤134，其中管件18可以通过至少一个管处理装置进行处理。管处理装置可以包括奥氏体化线圈80、水淬火线圈82、回火线圈84、涂布机和/或磷化机86、烘干机88、钻头90及其组合。一旦管件18经过处理，该方法进行步骤136。
在步骤136中，操作者可选择地决定检测管件18。如果操作者决定不检测管件18，该方法进行步骤140，管件18被准备好使用。如果操作者决定检测管件18，该方法进行步骤138，其中检测装置94检测管件18。在某些实施例中，检测装置94可以为超声检测装置。一旦管件18经过检测，该方法进行步骤140，管件被准备好使用。
前述方法和系统可以被用于制作管件，这些管件用于汽车、建筑和农业设备的一部分以及诸如液压缸、机加工零件、印刷辊等工业应用中。这种汽车工业管的例子包括但不仅限于稳定器管。
前述方法和系统还可以用于制作管线、套管和管材以及其他应用。管线典型应用于石油、天然气及其他流体的表面输送。套管或井用套筒典型用作石油和天然气井的结构保持器。利用套管来避免周围的地下水和井本身的污染。套管最好能持续使用到整个井的使用寿命，当井被堵塞住或废弃时通常不会被去除。管材可以指OCTG应用以及石化应用。当指OCTG时，管材为在套管中使用的单独的管件，从而将石油或天然气引导到表面。依赖于条件和井的使用寿命，管材在井的使用寿命内可能不得不进行更换。当指石化应用时，管材可以是指在石化工厂中输送化学物质的管坯。所有上述应用只列出了根据本发明的方法和系统进行定径的管件18的潜在用途。这一列举不限制根据本发明的教导形成的管件18的其他潜在应用。
本发明的实施例还包括形成可定径管件件18的顶管设备的方法。该方法包括安装具有纵轴线43和可定径管件件18的开口41的模具12；沿纵轴线43安装具有至少一根附接其上的杆16的液压缸14；并沿纵轴线43安装接收装置(22或50)。
可选择地，该方法可包括沿纵轴线43安装至少一个支承装置24以在进入模具12之前支承管件18和/或安装至少一个联接器19以可分离地将管件18固定于杆16上。可选择地，形成顶管设备的方法可包括安装至少一个管处理装置和/或至少一个管检测装置。
虽然本发明和其优点已经详细地进行了说明，应该可以理解，各种变化、置换或改造可在此作出而不脱离本发明根据下述权利要求所定义的精神和范围。
权利要求
1.一种用于使一管件定径的管件定径系统，包括一模具，该模具具有一可用于该管件定径的开口；一液压缸，该液压缸具有至少一根附接其上的杆；该液压缸和至少一根杆彼此协同工作以推动管件穿过模具；以及一接收装置，该接收装置在管件脱离模具时引导该管件。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括一可分离地将管件固定于杆上的联接器。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括一在管件穿过模具时支承管件的支承装置。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于支承装置最初支承管件的中间段。
5.根据权利要求3的系统，其特征在于支承装置是可移动的。
6.根据权利要求1的系统，其特征在于管件包括一管坯、多个管件或多个管坯。
7.根据权利要求1的系统，其特征在于管件包括石油工业用管材(OCTG)。
8.根据权利要求1的系统，其特征在于管件包括用于汽车工业的管件。
9.根据权利要求1的系统，其特征在于管件包括一稳定器杆的一部分。
10.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括在定径前具有大约1英寸到大约5.5英寸外径的管件。
11.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括可用以将管件的外径减小大约1％至大约20％的模具。
12.一种用于使一管件定径的顶管系统，包括一模具，该模具具有一可用于管件定径的开口；一液压缸，该液压缸具有至少一根附接其上的杆；该液压缸和至少一根杆彼此协同工作以推动管件穿过模具；以及一接收装置，该接收装置在管件脱离模具时引导管件，其中该接收装置可被移动和旋转以形成特殊形状的管件。
13.根据权利要求12的系统，其特征在于接收装置包括一用于形成直管的固定接收装置。
14.根据权利要求12的系统，其特征在于还包括至少一个管处理装置。
15.根据权利要求14的系统，其特征在于至少一个管处理装置从由感应线圈、回火线圈、淬火环、钻头、涂布机、磷化机及其组合组成的组中选择。
16.根据权利要求12的系统，其特征在于还包括至少一个管检测装置。
17.一种用于定径至少两根管件的顶管系统，包括至少两个模具，所述的模具具有可用于定径至少两个管件的开口；一液压缸，该液压缸具有至少两根附接其上的杆；该液压缸和至少两根杆彼此协同工作，以推动该至少两根管件穿过该至少两个模具；以及至少两个接收装置，在该至少两根管件脱离该至少两个模具时引导该至少两根管件。
18.根据权利要求17的系统，其特征在于该至少两个模具包括三个模具，其中至少两根杆包括三根杆，且其中至少两个接收装置包括三个接收装置。
19.一种缩小一管件的外径的方法，包括将该管件定位以穿过一个具有一纵轴线的模具；采用至少一个液压缸来推动该管件穿过模具；以及当管件脱离模具时，控制管件相对于纵轴线在垂直向(x向)和横向(y向)的运动。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于控制管件的运动包括在管件脱离模具时夹持管件与纵轴线同心对准。
21.根据权利要求19的方法，其特征在于控制管件的运动包括在管件脱离模具时改变管件的垂直向和横向的运动。
22.根据权利要求19的方法，其特征在于还包括在管件穿过模具时支承管件。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于还包括以最初在大约管件的中间段处支承管件的方式支承该管件。
24.根据权利要求19的方法，其特征在于还包括在一拉拔工艺过程中推动管件穿过模具。
25.根据权利要求19的方法，其特征在于还包括以一受控的推动速度推动管件穿过模具。
26.根据权利要求19的方法，其特征在于推动管件穿过模具包括将管件的外径缩小大约1％到大约20％。
27.根据权利要求19的方法，其特征在于还包括使用至少一个液压缸同步推动第二根管件和第三根管件穿过一个第二模具和一个第三模具。
28.根据权利要求19的方法，其特征在于推动管件穿过模具包括推动管件穿过模具而不使用芯轴线。
29.一种缩小一管件的外径的方法，包括将管件定位以穿过一个具有一纵轴线的模具；使用至少一个液压缸推动管件穿过模具；在管件脱离模具时，控制管件相对于纵轴线在垂直向(x向)和横向(y向)的运动；且在管件脱离模具时，执行至少一个模制后操作。
30.根据权利要求29的方法，其特征在于执行至少一个模制后操作包括处理管件。
31.根据权利要求30的方法，其特征在于处理管件是从由奥氏体化管件、热处理管件、淬火管件、回火管件、涂布管件、磷化管件、管件钻孔及其组合所组成的组中选择。
32.根据权利要求29的方法，其特征在于执行至少一个模制后操作包括检测管件。
33.一种构成一用于管件定径的顶管设备的方法，该方法包括安装一个具有一纵轴线和一用于管件定径的开口的模具；沿该纵轴线安装一个具有至少一根附接其上的杆的液压缸；以及沿该纵轴线安装一个接收装置。
34.根据权利要求33的方法，其特征在于还包括沿该纵轴线安装至少一个支承装置以在管件穿过模具时支承管件。
35.根据权利要求33的方法，其特征在于还包括安装至少一个联接器以将管件可分离地固定于至少一根杆上。
36.根据权利要求33的方法，其特征在于还包括安装至少一个管处理装置。
37.根据权利要求33的方法，其特征在于还包括安装至少一个管检测装置。
全文摘要
本发明包括成本节约、高效的将管件定径的系统和方法。在本发明的一个实施例中，管件定径系统包括一个具有一用于管件定径的开口的模具、具有至少一根附着在上的杆的液压缸、该液压缸和该至少一根杆被此协同工作以推动管件穿过模具、以及一个在管件脱离模具时引导管件的接收装置。
文档编号B21D41/00GK1748885SQ20051011324
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者P·富勒顿, N·A·罗登, D·R·威特 申请人:龙尼星钢铁公司