用于测量待焊接在一起的两个管件的对准的方法和设备

摘要

一种内对管器(20)，用于将待焊接在一起的两个管件对准，包括高低差测量系统，该高低差测量系统例如包括激光源(24)和摄像机系统(22)，激光源(24)和摄像机系统(22)安装在内对管器(20)上并且设置成进行高低差测量(d)，指示管件(10a，10b)的对准度。当通过内对管器(20)将两个管件夹持在一起时可以进行测量。之后，当管件保持于在上述位置被夹持在一起并且高低差测量系统保持位于管件内部时，将管件焊接在一起。

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量待焊接在一起的两个管件——具体为待焊接在一起以形成用于油或气体的传输的管道的管件——之间的对准的方法和设备。

背景技术

当铺设输油管道时，通常需要将一节管件焊接至管道的端部。管道可以铺设在海里。因为水下管道在铺设过程中以及铺设之后通常都承受循环载荷，产生焊接接头因疲劳载荷而变弱的风险，所以连续的管节之间的焊接接头通常需要具有高质量和完整性。当在管道与新管节之间产生焊接接头时，管件端部的不对准影响产出的焊接质量。因而，两个管件端部精确地焊接在一起是很重要的。因此，所希望的是在焊接过程之前和/或之后测量不对准度。

图1是设置成端部对端部的两个管件10a、10b的部分横截面视图。管件的端部成斜角从而在管件端部之间限定待焊接的接头12。如可在图1中所见，管件10a、10b的两个端部之间存在一定程度的不对准。一个管件10a的内表面14a与另一管件10b的内表面14b沿径向方向隔开了距离d。该距离d通常被简称作“高低差(“high-low”，或“hi-lo”)”，或者称作“高低差值(“high-low value”或“hi-lo value”)”。

该高低差值可能沿着管件的内表面的周边而变化。在本发明的上下文中的高低差值指的是：如果有的话，一个管件端部的内表面上的点与相邻的管件端部的内表面上的相邻点之间沿径向方向的间隔。管件的外表面之间的不对准可能涉及高低差测量，但是在本发明中其本身较不重要并且较少相关性。

由于上文所提及的原因，所希望的是测量管件端部之间的不对准度，并且依据所进行的测量采取适当的措施，以提高管件之间的焊接质量。管件端部之间的不对准度的现有技术的测量方法通常涉及计算或测量高低差值。

WO01/70446公开了用于对待焊接在一起的管件的对准进行监控的设备。该设备安装在管件的外部。可以看出，用于测量管件的对准的设备需要被移开以便允许焊接设备将管件焊接在一起。可以看出，很有可能的是在测量管件的对准之后将管件移至焊接工位。管件因此在焊接之前被移动，这很可能改变它们的相对对准。

WO06/112689也公开了一种用于对待焊接在一起的管件的对准进行监控的设备。在一种实施方式中，通过设置在管件外面的管件操作装置将管件保持成端部对端部的构型。管件被保持成使得它们的端部稍微地间隔开，从而使得管件可以相对于彼此移动而管件端部不相互刮擦。在一种实施方式中，传感装置被插入管件的内部以扫描管件的内表面。一旦管件内部已被扫描，就使管件相对彼此移动以实现目标对准，其中，管件端部彼此接触，为焊接在一起做好准备。

现有技术的上述两个示例都存在如下问题：即，焊接是在管件已经被从执行对准测量的位置移开之后在管件上执行的。因此损及对准测量的相关性和有效性。例如，如果对准测量是在焊接过程之前、在与临焊接前的状态不同的状态下执行，那么对准测量可能存在误差并且不同于焊接之后将要测量的对准。

本发明设法减轻上述问题中的一个或更多个。可替代地或另外地，本发明设法提供一种用于对待焊接在一起的两个管件之间的对准进行测量的改进方法和设备。

发明内容

本发明提供了一种用于对准待焊接在一起的两个管件的内对管器，其中，该内对管器包括高低差测量系统，该高低差测量系统安装在内对管器上并且设置为当通过内对管器将两个管件夹持在一起时进行高低差测量。

因此，该内对管器(或ILUC)可用于将两个管件焊接在一起的方法中，其中，在管件在与执行焊接时它们将要所处的位置完全相同的位置被夹持在一起的时候，高低差测量系统能够获得接头区域中管件的对准度指示。如果管件被认为是在令人满意地彼此对准的情况下被夹持在一起，那么无需例如为了实施焊接而使两个管件相对于彼此移动、或相对于焊接设备、内对管器或高低差测量系统移动。因此，实施高低差测量的状态非常接近于实施管件焊接的状态。但是现有技术的系统采用如下方法：在焊接之后执行对准测量，这可能显露出焊接形成之后的对准问题，可能需要重新焊接。现有技术的其他系统采用如下方法：在与最终状态不同的状态下进行测量，这可能导致测量误差以及关于管件的对准或不对准的错误的判定。本发明的实施方式使得高低差测量能够在紧接管件的焊接之前、在与焊接时的状态非常接近的状态下执行。

高低差测量系统可以为非接触测量系统例如光学测量系统的形式。光学测量系统可包括摄像机系统。光学测量系统可包括光源。光源可以是设置成在确定待焊接的接头的轮廓时为摄像机系统提供辅助的参考光源。参考光源例如可以是可识别的形状或图案的形式，例如可作为直线由完全平面反射的平面片光。摄像机可以设置成检测被管件的内部反射的参考光图案。

高低差测量系统可包括安装在内对管器内部的摄像机。由此可保护摄像机不受焊接过程中产生的灰尘和高温的损害。摄像机可与一个或更多个镜子相关联，以便从摄像机在内对管器内部的位置执行摄像机的功能。

高低差测量系统可以沿着内对管器的长度安装在中间。

高低差测量系统可以设置成在绕管件周边的多个不同点处测量高低差值。高低差测量系统可以设置成围绕管件的周边基本连续地测量高低差值。在管件的周边上可进行超过100次的测量。高低差测量系统可以安装为沿着接头线移动(例如从而使得高低差测量系统绕管件的轴线转动)。

高低差测量系统可以通过局部电源供电。局部电源可与内对管器相关联。内对管器可包括局部电源例如电池。内对管器可另外地或可替代地通过经由脐带式管线传输至内对管器的电能供电。

本发明还提供例如在将两个管件焊接在一起的方法中测量高低差值的方法。该方法可以包括如下步骤：将两个管件夹持成端部对端部的构型以在它们之间限定待焊接的接头。该方法可以包括如下步骤：例如在管件被夹持在一起时，通过定位的管件内部的测量系统获得接头区域中的管件的对准度指示。该方法可以包括如下步骤：在测量系统保持位于管件内部并且位于接头区域中时，将两个管件焊接在一起。优选地，在获得管件的对准度指示的步骤之前执行将两个管件夹持在一起的步骤。优选地，在将两个管件焊接在一起的步骤之前(优选地在紧接该焊接步骤之前)执行获得管件的对准度指示的步骤

夹持的步骤可以包括完成组装的步骤。优选地，在获得管件的对准度指示的步骤开始之前，完成能够实现管件的焊接所必需的所有操作。将两个管件夹持在一起的步骤可以从管件内部执行。可以使用内部夹持系统。

两个管件可以被夹持成端部对端部的构型，并且一个端部接触另一端部，由此限定待焊接的接头。

根据本发明的任一方面，内部夹持系统可以是内对管器(ILUC)。

测量系统可以是高低差测量系统。测量系统可以安装在用于将管件夹持在一起的内对管器上。测量系统可以是根据本发明的任一方面的高低差测量系统。

获得管件的对准度指示的步骤可以包括绕管件的轴线转动测量系统。

在焊接步骤中，测量系统可以定位成紧邻接头。

焊接步骤可以包括：至少在焊接过程的初始阶段期间、在焊接区域中引入气体例如保护气体。焊接步骤可以完全从管件的外部执行。接头在被焊接时可以不受来自管件内部的支撑。可以不需要铜垫块等。

该方法可包括对来自测量系统的在获得管件的对准指示的步骤期间获取的数据进行电子处理的步骤。在这样的数据处理步骤中，可以将所获取的数据与参考数据进行比较。通过这样的数据处理步骤，可以就管件是否被充分良好地对准以便焊接而做出判定——优选为自动地做出判定。参考数据可以仅仅是一标准例如高低差值中的每一个是否处于可接受的阈值范围内。高低差值的量值可以例如与单个阈值进行比较。在这种情况下，参考数据可以包括或包含阈值高低差值。可替代地，数据的电子处理可以包括判定高低差值的量值的平均值是否处于可接受的范围内。参考数据可包括这样的数据：由先前试验产生的、关于(i)不同接头的高低差测量数据与(ii)接头在被焊接时的可接受性——例如作为焊后疲劳载荷测试的结果——之间的相关性的数据。在该方法的执行过程中(例如，在现场)所获取的数据可以在与这种参考数据进行比较之前经过处理。所获取的数据例如可以经标准化以允许与参考数据进行目标比较。

管件可以具有大于100mm的内径。管件可以具有大于150mm的内径。管件可以具有高达600mm的内径。管件可以具有高达1000mm的内径。本发明的具体应用涉及具有300mm至900mm的内径的管件的焊接。

本发明还提供一种高低差测量系统，该高低差测量系统适于用作为如此处参考本发明的任一方面所描述的高低差测量系统。本发明的高低差测量系统可以例如用于将现有技术的内对管器转变成根据本发明的内对管器。

当然可理解，关于本发明的一个方面所描述的特征可以结合到本发明的其他方面中。例如，本发明的方法可以结合参考本发明的设备所描述的任何特征，反之亦然。

附图说明

现在将参考所附示意图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，附图

中：

图1是设置成端部对端部的两个管件的部分横截面视图，示出了待测量的高低差距离；

图2是根据本发明的第一实施方式的内对管器的立体图；

图3是用于将两个管件对准成端部对端部的构型的传统的内对管器的立体图；

图4是图3的内对管器的高低差测量系统的立体图；以及

图5是图4的高低差测量系统的俯视图。

具体实施方式

图2中示出了本发明的实施方式，该实施方式包括内对管器(ILUC)装置20，该内对管器装置20上安装有高低差测量系统。该高低差测量系统包括在图2中示意性示出的摄像机22和激光源24。图3中示出了传统的内对管器装置。该内对管器装置附接至脐带式管线(未示出)。内对管器装置20具有绕装置20的周边间隔开的两套可膨胀的夹持构件26，一套与一个管件端部相关联，而另一套与另一管件端部关联。内对管器装置20通过如下方式将两个管件(图3中未示出)保持成端部对端部的构型：使夹持装置26膨胀从而使得它们都沿径向方向向外移动并接合管件的内表面。然后，安装在管件的外部的焊接设备可对两个管件端部之间的接头进行焊接。通常设置铜垫板18(或垫块)以辅助该焊接过程，并且在焊接过程中将铜板18压靠管件的内壁以支撑焊接接头。

可以看出，除了图2的内对管器装置包括替代铜垫板的高低差测量系统的事实之外，图2的内对管器装置(根据本发明的实施方式)与图3中所示的装置非常相似。使用中，可以理解，高低差测量系统因此被设置成紧邻接头。

图4和图5更加详细地示出了与内对管器系统20分离的高低差测量系统。该高低差测量系统在从侧面观察时大体为弧形(参见图5)并绕管件周边的大约一半延伸。该高低差测量系统在被安装在内对管器上时是被安装成沿着接头移动(即：该高低差测量系统绕管件的纵向轴线40转动)。为此，该高低差测量系统包括电机(在图4和图5中未示出)，该电机由设置在高低差测量系统上的局部电源28供电。

如上所述，高低差测量系统包括摄像机系统和激光源24。摄像机系统22包括摄像机图像转换器板30、摄像机镜头32以及CMOS(有源像素传感器)4百万像素摄像机芯片34。使用中，来自激光源24的光被镜36反射从而使得光沿径向方向发出。形成摄像机系统的部件30、34和激光源24由局部电源28供电。通过提供例如呈可充电电池形式的局部电源，无需经由连接至内对管器装置20的脐带式管线获取动力。

高低差测量系统基于摄像机的视野与正交地投射至待焊接的接头的激光线之间的光学三角法。因此，在使用中，激光38由光源24产生为仅在一个平面内扩散的光束的形式，由此产生平面片光38，其由镜36反射从而使得位于待焊接的接头区域中的管件的内表面被一排激光38照亮。入射在管件的内表面上的所述一排激光取向为平行于管件的纵向轴线40。由于所发射的光的平面特性，从一个管件端部至另一个管件端部的任何台阶都将通过管件表面上的所述一排光中相应的台阶而被显露出。摄像机系统经由镜头32检查入射光，并由此接收待焊接接头的轮廓的光学指示。在图4中以虚线42示意性地图示出摄像机的视野。在使用中，高低差测量系统沿着待焊接的接头移动，并且每隔1/4度实施一次高低差测量(相当于绕周边完成超过1000次测量)。接头因此通过激光和摄像机系统而得以有效扫描。图像由转换器板30接收并且随后经由脐带式管线传送至包括计算机处理器的局部焊接控制系统。然后，处理并分析高低差测量结果以提供对准度的指示。

摄像机和激光源被设置为使得能够实现0.1mm量级的测量绝对准确度或更好的测量绝对准确度(绝对准确度，说明例如由于温度导致的偏移以及参数的所有变化)。

现在将描述将两个管件焊接在一起的方法，该方法包括用第一实施方式的内对管器装置20测量管件的对准。

第一管件端部由管道(具有大约600mm的内径)限定，在本实施方式中管道铺设在海里并且因此通向海底。第二管件端部由将被焊接至管道的端部从而延长管道的长度的自由管节限制。在这种情况下，管件是INOX(钢)管件。管件端部被合在一起并对准。操作者绕自由管节的轴线转动该自由管节并使该管节平移从而使管件端部达到操作者通过人工检验判断的最佳对准位置。操作内对管器装置20，夹持构件26径向向外移动，从而在该位置以端部接触的方式将两个管件端部夹持在一起。焊接设备安装在管件的外部并且完成了所有其他的“组装”操作，从而使得焊接设备和管件都被准备好用于执行焊接步骤。

在已完成组装并且将管件准备好被焊接之后，接着操作高低差测量系统以测量对准度。由此，高低差测量系统绕管件的轴线转动，使得高低差测量系统完成绕管件内部周边的完整转动并执行对接头轮廓的连续扫描。数据被从高低差测量系统发送至局部焊接控制系统的计算机。

计算机处理接收到的数据并且产生表示管件之间的(不)对准度的输出数据。数据处理步骤包括：在考虑从先前的测试和校准所得到的对准标准的情况下分析表示接头轮廓的数据。对准标准为参考数据的形式，其可设定为兼顾期望的规格。计算机因此输出对准度的指示，该指示包括关于接头是否应该被焊接或者管件在能够开始焊接之前是否需要更好地对准的指示。还可以经由可视化的显示单元显示局部焊接控制系统的运算符，表示待焊接的接头的轮廓(示出高低差测量如何沿着接头长度而变化)。

如果管件之间的对准度被认为是不可接受的，则警告人工操作者并且以试图改善管件之间的对准的方式来操纵管件。

如果所测量的数据为使得控制单元认为对准是可接受的，则在内对管器装置仍位于管件内部并且位于焊接区域中且因此高低差测量系统也仍位于管件内部并且位于焊接区域中的情况下立即执行焊接。管件被夹持在一起的位置也基本上保持不变。

因此在高低差测量步骤之后无延迟地执行焊接步骤，从而使得测量是在与焊后状态非常接近的状态下进行的，由此减少出现误差的机会。

焊接过程是准确的并且完全从管件的外部完成。足够慢地并且准确地执行根部焊接从而无需铜垫板、铜垫块等。

上述实施方式可以被看作是将两个管件焊接在一起的方法，其中，该方法包括下列步骤：(a)在两个管件的端部之间限定待焊接的接头的位置夹持两个管件，(b)在在所述位置将管件夹持在一起时，通过定位在管件内部的测量系统获得在接头区域中的管件的对准度指示，以及(c)在管件保持于在上述位置被夹持在一起时，将两个管件焊接在一起。

尽管已参考具体的实施方式描述和图示了本发明，但是本领域普通技术人员可以理解，本发明适合于未在此处具体例示说明的许多不同的变型。现在将仅以示例的方式描述某些可能的变型。

在发现管件未被充分良好地对准的情况下，高低差测量系统可以用于建议应当如何操纵管件以改善它们的对准。计算机可以例如输出获得管件之间的最佳对准所需的移动。

高低差测量系统可以用于另外地测量管件在焊接后的对准，以核实焊接过程中管件没有变得不对准。

内对管器和高低差测量系统既可以用于在岸上将杆件焊接在一起，又可以用于在海上将杆件焊接在一起。

在所图示的实施方式中，高低差测量系统被有效地安装在内对管器的外部。当然可以理解，可替代地，高低差测量系统可以如下方式安装在内对管器上：从内对管器的外部不能清楚地看到该高低差测量系统的部件。高低差测量系统的部件可以例如一体形成在内对管器的内部。

向高低差测量系统供电的局部电源不必为电池的形式，而可以代之以由来自附接至内对管器的脐带式管线的电能供电的局部供电单元。在这种情况下，局部供电单元可以将从脐带式管线接收到的电能调节和/或转换成适于高低差测量系统使用的电能。

尽管所图示的高低差测量系统在从侧面观察时大体为弧形，但是可以理解，高低差测量系统还可以是其他形状，特别是在高低差测量系统的部件比所图示的部件小的情况下。

可能存在用于接收和处理来自高低差测量系统的数据的专用计算机。

所图示的实施方式当然能够被用于焊接诸如金属覆盖管件或耐腐蚀合金(CRA)管件之类的不同材料的管件。

对准标准可以利用从大量的先前进行的试验所获得的参考数据。这些试验可以例如包括：用高低差测量系统测量管件接头的对准，然后对焊接接头进行疲劳测试以测试如此执行的焊接的可靠性。从试验中可以获得高低差测量与焊接接头的可靠性/可接受性之间的相关性，并且可随后在现场使用，以根据高低差测量数据对管件对准的可靠性/可接受性进行评估。

高低差测量系统的激光和摄像机系统可以为与WO2006/112689中所采用的形式相类似的形式。高低差测量系统可使用除了激光和摄像机系统之外的装置来执行测量。光源可以例如是不连贯的但是锐聚焦的光源。摄像机系统可以为能够在无需任何参考光源的情况下映射焊接接头的几何形状。作为另一种替代，可以例如使用机械的、接触式的测量系统。

在前述的说明中，提到了具有已知的、明显的或可预见的等效物的整体或元件，因此这种等效物如同单独表述一样地合并在此处。应当参考权利要求以限定本发明的实际范围，权利要求应当被理解为包含任何的这种等效物。读者还可以理解，被描述为优选的、有利的、方便的等等的本发明的整体或特征是任选的并且不限制独立权利要求的范围。此外，可以理解，这种任选的整体或特征尽管在本发明的一些实施方式中可能是有益的，但是在其他实施方式中可能不是所需要的，并且可能因此而不存在。