基于光纤激光器的管线耦接系统和安装管道段的方法与流程

本公开涉及一种基于激光器的系统以及一种用于安装管线的方法。具体地，本发明涉及一种管道连接系统，其包括彼此啮合以形成冠状物接头的各个相邻管道段的凹入壁端部以及可操作以焊接冠状物接头的激光器系统。

背景技术：

通常，通过添加几米长和几十毫米厚的壁管来进行管线的铺设。在许多工业应用中，通常的做法是使用具有预定义长度和壁厚的金属管，其被连接以形成到达油田(或油池)或气田(或气池)的管串，以进行提取。该技术需要通过在钻井时安装金属管来逐渐地对所述井的内壁套管。一旦达到期望的深度，将一串较小直径的内金属管道放置在套管内，该操作称为管接。当外管道或内管道被下放到井中时，其下端耦接到先前下放的管道的顶端。通常，通过带有螺纹的上凸缘和下凸缘来实现连接，该上凸缘和下凸缘附接到相应管道端部并且如下面所公开的那样彼此接合。

先前下放的管道仅部分地位于钻孔中，其带螺纹的凹形凸缘略微延伸到钻台上方。下一个带有螺纹的凸形凸缘的管道被抬高并竖直地保持在井架中，使其最下端在前一个管道的凹形端上方。然后降低上管道，使其凸形带螺纹的凸缘指向凹形带螺纹的凸缘，以使得相邻凸缘上的螺纹啮合，或者如本领域中常常所述的那样，上管被“戳入”下管中并进一步被旋转。管道的对齐是耗时的并且涉及另外的工具，这些工具都限制了管串组装速率，并且当然增加了管线系统的成本。

因此需要改进管道对准和管道连接技术和组件。

技术实现要素：

所公开的管道连接系统和用于组装管道的方法满足了这种需要。所公开的系统的特征在于管道耦接显著地增大了管线的现场组装速率。

根据本公开的一个方面，一种管道连接系统包括待被连接在一起以形成管线或管串的管道的相对端。管道端部被配置有相应布置的周向间隔开的齿，这些齿一起限定冠状形成物或简单地冠状物。在使管道接触时，各个连续管道的相对冠状物的齿相互啮合。冠状形成物有助于接合管道自对中，这有利于组装管道串的过程。

各个接合管道端部的齿具有各种形状和尺寸。在一个实施例中，耦接管道的齿相互交叉，形成锁定耦接。在备选实施例中，齿是交错的但未被锁定。

在本公开的又一方面，一种用根据任何上述公开方面配置的管道和/或管组装成管串的方法基于现场对激光源的使用。具有光滑端部的管道被输送到组装管串的位置。当管道被顺序地引导到钻孔中时，无论是套管还是管串，管道的端部依次被激光处理以形成相应的冠状形成物。然后降低随后的/后来的管道以使其齿与在先管道的齿布置啮合，该在先管道部分地从钻孔中伸出。一旦啮合的管道到达与各个冠状物的齿完全套叠的同轴位置，则激活基于轨道激光器的焊接组件以沿着具有交替的凸起和凹陷的接头对接合的管道进行焊接。

优选地，单个焊接层足以提供期望的焊接接头强度。然而，如果需要，可以形成若干层。该方法还包括在焊接接头时x射线相机跟随激光焊接炬。在若干层的情况下，因此可以在形成每个层时测试焊接接头。

附图说明

通过结合附图的具体描述，所公开的主题的上述和其他特征和优点将更加显而易见，在附图中：

图1示出了现场部署的本发明的基于激光器的管道焊接系统的示例性框图；

图2示出了所公开的用于焊接竖直定位管道的激光焊接组件；

图3a-3c示出了用所公开的冠状物配置形成的管道的各个接合阶段；

图4示出了图3a-3c的完全啮合的管道；

图5a-5d示出了所公开的冠状物配置的各种修改；以及

图6是所公开的激光焊接组件的另一图示。

具体实施方式

现在详细参考所公开的系统。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。术语“耦接”和类似术语不一定表示直接和立即连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。附图为简化形式，且完全不是按精确比例绘制的。

图1示出了现场示例性设备，其设置有包括单独部件的接头焊接组件25。具体地，组件25配置有中央处理单元(cpu)2，其操作以监测并控制各个结构元件。例如，大功率光纤或任何其他类型的激光器、冷却器和压缩机存储在封闭的壳体4中。壳体4中的每个元件与cpu2之间的通信通过柔性缆线6实现，该柔性缆线6内部承载有电源线、供气导管和小电流控制线。在光纤激光器系统的情况下，传输光纤8将激光器输出引导到激光头11，该激光头11包括各种体光学器件、扫描器等。激光头11的位移由cpu2输出控制信号来控制，该控制信号通过一个或多个缆线13被传送到激光头。激光头11围绕连接管道的内外周边的轨道位移以及沿管道长度的位移产生了下面讨论的各种冠状物状接头结构。柔性管6包围多个缆线，包括电源线、空气导管、内联网缆线等。

参考图2，系统25可以没有任何限制地部署，以焊接水、油或天然气以组装输送管线。通常，管线包括将例如在竖直井中下降的每个在前管道段16与后继管道段18焊接在一起，该后继管道段18被引导到井中直到在前管道和后继管道的相对端部彼此接合，如下所述，因此限定了要进行激光焊接的接缝。继续组装管线，直到达到期望的总管线长度。

参照图3a-3c和图4，根据所公开的构思，接合管道段端部形成有相应的冠状形成物24、26。如图3a所示，形成物24和26具有间隔开的凸起或齿30和30’的相应布置。每对相邻的齿在它们之间限定凹谷或凹槽32。齿和凹槽被构造为使得一个冠状形成物的齿逐渐被引导到另一个冠状形成物的相应凹槽中。

在所公开的过程中，在管道段16被固定在井中之后，提升系统将后继管道段18朝向管道段16降低，使得冠状物26的齿30均与齿30’的相应外围边缘滑动接触，如图3a所示。随着管道段18被进一步向下引导，齿30和30’经过相应的图3b和图3c中所示的中间位置逐渐移动到接合管的相应凹槽32中。当管道段16和18彼此接合时，后继管道段18在重力作用下逐渐自身对中。在齿30和30’完全相互啮合的情况下，管道段16和18是同轴的，其对应于图4中所示的接合位置。

参考图5a-5c，所公开的冠状形成物可以具有各种构造。例如，图5a示出了具有带有尖锐顶点的三角形齿30和30’的冠状物。图5b示出了郁金香形形成物。图5c的特征在于均具有弧形尖端的齿30、30’。图5d示出了在啮合齿30和30’之间限定的阶梯式形成物，该齿30和30’通常均具有矩形形状。

接合的齿和凹槽形成有互补的周边。接合的冠状形成物之间的配合紧密度由干涉量(amountofinterference)控制。例如，图5a示出了啮合齿的形状和尺寸，其被选择以使得通过摩擦实现冠状形成物24和26之间的紧固。在该耦接中，当冠状形成物26的齿完全嵌套在冠状形成物24的相应凹槽中时，管道相对于彼此被锁定。然而，如图5b和图5c的实施例所例示的，锁定动作不是必需的。

允许压配合连接的各种构造对于机械领域的普通技术人员来说是公知的。例如，如图5a所示，凹槽32具有略大于通道36的底部34，从而为冠状形成物26的齿30的尖端提供了通向底部的入口。通道36的结构被选择为使得当管道段18被下降到与管道段16接合时，齿30的尖端响应于由管道段18产生的外力而摩擦地进入通道36。在接合位置，齿36的尖端靠在凹槽32的底部上。

如图5a-5d所示，齿和凹槽均具有选自三角形、弓形和矩形的截面。可以在管道的每个端部上具有不同形状的形成物的组合。

图6示出了所公开过程的最终阶段。通过激光束焊接接头22，其中诸如电线之类的填充物被提供到焊接位置。一个或多个激光头20放置在接头22的平面中，并且一旦焊接开始，一个或多个激光头20绕接头轨道运行。当围绕接头22环形地引导激光头时，它跟随接头的锯齿形几何形状。

所公开的系统和方法具有优于标准管线组装方法的若干优点。所公开的冠状物耦接组件不需要刚性液压夹系统。管线组装的速率显著高于已知的现有技术方法的典型速率。当冠状形成物彼此接合时，获得相邻管道的同轴性。冠状物耦接降低了接头上的弯曲载荷，同时将这些载荷均匀地分布在大面积的管壁上。由所公开的结构产生的焊接接头的强度大于已知的现有技术方法的强度。例如，在施加30-34吨的载荷时，具有某些受控缺陷的冠状物焊接接头被破坏。具有相同缺陷的标准环形焊接接头被15-20吨的载荷破坏。连接还必须能够承受高拉伸和压缩载荷，该拉伸载荷主要在套管的最上部连接处反映出来并且由套管下部的重量而引起的，其作用在它们上方的连接处并且沿着套管的竖直范围间隔开。另外，如果在钻探操作进行时遇到障碍物，则该连接常常承受从上方施加在套管上的压缩载荷，以便帮助钻头和套管穿透并穿过障碍物。

与传统焊接方法(例如，手动电弧焊接或金属惰性气体焊接(mig))相比，所公开的激光焊接工艺显著地减小了接缝截面，并且通过应用较高的焊接速率焊接时间缩短，从而提高了经济效率。

而且，所公开的激光束焊接可以用于在各种位置实现良好的焊接结果，不仅包括所公开的竖直位置，还包括水平位置和角度位置，而不需要复杂的参数调整，这是因为在该焊接方法中焊接接缝的特征在于接缝的深宽比较大。

前面的描述和实施例仅用于说明本公开的主要构思，包括借助于所公开的冠状物接合来耦接管道。所公开的冠状物形状仅仅是示例性的并且可以容易地修改，而不会损害本公开的主要构思。因此，应该将本公开广义地解释为包括在所公开的构思的范围内的所有变型。