1 000158 2 Предлагаемое изобретение касается уста-

1
Предлагаемое изобретение касается установки, предназначенной для осуществления
определенных работ в некоторой зоне стенки
металлической трубы при помощи лазерного
луча, направленного на упомянутую зону и способного перемещаться для сканирования или
ометания этой зоны.
Упомянутые работы могут представлять
собой, например, работы по отрезанию, сварке
или обработке поверхности данной трубы.
Многочисленные конструкции устройств
были предложены для того, чтобы обеспечить
возможность выполнения подобных работ. Такие устройства содержат, главным образом, генератор лазерного луча, рабочую головку, содержащую средства фокусирования этого лазерного луча и наконечник выхода сфокусированного лазерного луча, волновод, предназначенный для передачи лазерного луча от генератора до рабочей головки, и средства, предназначенные для перемещения этой рабочей головки
таким образом, чтобы лазерный луч проходил
по всей обрабатываемой зоне, в данном случае,
стенки трубы.
В некоторых случаях применения средства, предназначенного для перемещения рабочей
головки данной установки, оно содержит кронштейн, на котором установлена эта рабочая головка и который имеет возможность перемещения таким образом, чтобы рабочая головка поворачивалась вокруг обрабатываемой, в данном
случае, трубы, например, при отрезании трубы
или при осуществлении стыковой сварки двух
труб.
Кронштейн, на котором установлена рабочая головка, должен, таким образом, быть точно
позиционирован по отношению к данной трубе,
чтобы ось вращения этого кронштейна имела
определенное положение по отношению к данной трубе, по меньшей мере, приблизительно
коаксиальное к этой трубе.
В документе FR-A-2 704 166 описана установка предназначенная для выполнения работы
в стенке трубы посредством лазерного луча,
направленного в сторону упомянутой зоны, и
имеющая устройство, которое содержит генератор лазерного луча, рабочую головку, содержащую средство фокусирования этого лазерного
луча и выходной наконечник для сфокусированного лазерного луча, волновод, предназначенный для передачи лазерного луча от генератора до рабочей головки, и поворотный кронштейн, предназначенный для перемещения рабочей головки вокруг некоторой оси, и станину,
на которой размещены генератор лазерного луча и волновод. В этой установке поворотный
кронштейн смонтирован на плите, непосредственно закрепленной на данной трубе. Однако
такое техническое решение не подходит для
того случая, когда труба подвергается различным движениям и колебаниям в процессе ее
обработки, что соответствует случаю обработки
000158
2
труб, из которых, в частности, формируется укладываемый на дно моря трубопровод при использовании специальной баржи - трубоукладчика. Действительно, при работе с лазерным
лучом весьма нежелательно, чтобы колебания
обрабатываемой трубы передавались на рабочую головку и на волновод этого лазерного луча.
Для реализации того или иного трубопровода в море обычно осуществляют на так называемой "укладочной площадке" баржи - трубоукладчика сварку труб пригодной для транспортировки длины, обычно от 10 до 24 м. После
приваривания очередной трубы баржа подается
вперед на длину этой трубы, и собираемый таким образом трубопровод постепенно опускается в воду позади баржи. Эта баржа удерживается на месте при помощи якорных цепей и перемещается при помощи лебедок.
Разумеется, находящаяся на плаву баржа
подвергается воздействию волнения моря, и ее
положение не является строго фиксированным
при процессе сварки, тогда как положение уже
сваренного участка данного трубопровода, который лежит на дне моря, является практически
неизменным вдоль его оси. Таким образом, постоянно имеют место относительные движения
между баржой и трубопроводом в направлении
оси этого трубопровода, что дополнительно
приводит к возникновению вибраций.
Цель предлагаемого изобретения состоит в
том, чтобы достаточно точным образом позиционировать по отношению к данной трубе поворотный кронштейн, на котором установлена
рабочая головка, без передачи вибраций трубы
на эту рабочую головку и на волновод, который
связывает рабочую головку с генератором лазерного луча.
В соответствии с данным изобретением эта
цель достигается путем установки устройства
обработки на станину, на которой с возможностью поворота закреплен кронштейн для рабочей головки, и размещения этого устройства и
его станины в контейнере, который имеет отверстия для прохождения обрабатываемой трубы сквозь этот контейнер и средства для временного закрепления контейнера на этой трубе,
причем в контейнере размещены также блоки
управления и высокочастотные блоки лазерного
генератора таким образом, что поворотный
кронштейн оказывается закрепленным на данной трубе только посредством контейнера, собственная масса которого, а также масса его содержимого существенно ослабляет или амортизирует передачу механических воздействий от
трубы к рабочей головке и волноводу данной
лазерной установки.
Отсутствие непосредственной фиксации
между поворотным кронштейном для рабочей
головки и трубой обеспечивает также немаловажное преимущество простоты адаптации
3
предлагаемой системы к трубам различных
диаметров.
Размещение блоков управления и высокочастотных блоков генератора лазерного луча в
некоторой фиксированной позиции внутри контейнера, в котором в процессе сварки размещена также станина, на которой этот генератор
установлен, позволяет быть уверенным в том,
что высокочастотный кабель, который связывает высокочастотный блок с генератором лазерного луча, не будет подвергаться никаким механическим воздействиям в процессе сварки, что
весьма важно.
Предлагаемое изобретение касается также
специального предпочтительного варианта реализации рабочей головки.
В этом варианте реализации рабочая головка содержит специальную раму, закрепленную с одной стороны на несущем рабочую головку поворотном кронштейне, а с другой стороны на конце волновода, и некоторую подвижную систему, смонтированную с возможностью
поступательного перемещения по раме и содержащую средства фокусирования лазерного луча,
поступающего из волновода, и наконечник для
выхода этого луча, причем ось поступательного
перемещения представляет собой ось лазерного
луча, падающего на средство фокусирования, и
параллельна оси вращения кронштейна рабочей
головки, причем на раме расположен также двигатель, способный вызывать поступательное
перемещение системы под действием поданных
на него соответствующих команд управления.
Действительно, в ряде случаев бывает необходимо придать лазерному лучу, выходящему
из наконечника рабочей головки, небольшие
перемещения в процессе его вращения вокруг
трубы.
Так, например, в процессе выполнения
стыковой сварки двух труб зона соединения
этих труб, которая должна быть просканирована
лазерным лучом, в общем случае не является
идеальной круговой образующей, тогда как рабочая головка движется строго по окружности.
Вследствие этого данное устройство должно
содержать средства, предназначенные для сообщения лазерному лучу, выходящему из рабочей головки, небольших перемещений корректирующего характера в процессе кругового
движения этой головки.
Поступательное перемещение по раме рабочей головки системы, образованной средством фокусирования лазерного луча и наконечником для выхода этого луча, позволяет реализовать коррекцию "отслеживания стыка", не
требующую, однако, перемещения волновода,
поскольку рама, по которой скользит эта система и которая соединена с волноводом, остается
неподвижной в процессе этого корректирующего перемещения.
Кроме того, путем соответствующего программирования системы управления двигателя,
000158
4
который вызывает поступательное перемещение
системы, можно заставить лазерный луч, выходящий из рабочей головки, совершать некоторое
произвольное колебательное движение, которое
подходит для осуществления сварки с применением присадочного материала, что позволяет
сваривать трубы с выполненной по торцу фаской, имеющие стенку большой толщины, без
увеличения мощности используемого лазера, а
также выполнять сварку труб, материал которых
обычно не может быть сварен при помощи лазерного луча.
Теперь будет более подробно описан способ реализации установки в соответствии с
предлагаемым изобретением, специально разработанной для стыковой сварки труб на барже,
предназначенной для укладки трубопровода на
дно моря, где даются ссылки на приведенные
фигуры.
На фиг. 1 схематично представлен вид
спереди установки в соответствии с предлагаемым изобретением;
на фиг. 2 - установка в соответствии с
предлагаемым изобретением, вид сверху;
на фиг. 3, 4 и 5 - станина, на которой установлен генератор лазерного луча, волновод, рабочая головка и поворотный кронштейн рабочей
головки, соответственно, вид спереди (фиг. 3),
вид сверху (фиг. 4) и вид сбоку (фиг. 5);
на фиг.6 - средства механизированного
привода поворотного кронштейна рабочей головки;
на фиг.7 - вид, который с левой стороны
воспроизводит фиг. 3, а с правой стороны демонстрирует то же самое устройство, отрегулированное для работы с трубой другого диаметра;
на фиг.8, 9 и 10 - сечения рабочей головки
соответственно в плоскостях разреза А-А
(фиг.8), В-В (фиг.9) и С-С (фиг.10);
на фиг.11, 12 и 13 представляют собой
схематично волновод и рабочую головку на виде спереди (фиг.11), на виде сверху (фиг.12) и
сбоку (фиг.13).
В приведенном ниже описании способа
реализации предлагаемого изобретения и в приложенных к нему фигурах будут выявлены другие характеристики и преимущества данного
изобретения.
Установка в соответствии с данным изобретением, схематически представленная на
приведенных фигурах, содержит, главным образом, контейнер С и станину В, на которой установлено устройство, содержащее генератор L
лазерного луча, волновод G, рабочую головку Т
и поворотный кронштейн S.
Контейнер С (см. фиг.1 и 2), который содержит станину и устройство, размещенное на
этой станине, смонтирован на барже морского
трубоукладчика, символически обозначенной
направляющим рельсом 1 таким образом, чтобы
этот контейнер имел возможность перемещаться
5
в продольном направлении на этой барже вдоль
оси данного трубопровода, например, при помощи колес 2, под действием лебедки 3 постоянного натяжения или при помощи механического привода упомянутых колес.
Этот контейнер имеет входное отверстие 4
и выходное отверстие 4', предназначенные для
прохождения обрабатываемых труб V, и он содержит специальные средства, предназначенные
для амортизированного крепления этого контейнера на проходящих через него трубах. Эти
средства, схематически обозначенные позициями 5 и 5', могут представлять собой, например,
специальные упоры или обжимные губки, снабженные амортизирующими наконечниками и
приводимые в действие при помощи силовых
цилиндров или домкратов, жестко связанных с
контейнером таким образом, чтобы обжать соединяемые трубы между собой.
В качестве типичного примера реализации
можно сказать, что контейнер представляет собой камеру длиной порядка 10 м, высотой порядка 5 м и шириной порядка 3 м. Этот контейнер при необходимости содержит отверстия или
люки для осмотра или доступа в его внутреннюю полость, а также средства, специально
предусмотренные для управления и наблюдения
снаружи по отношению к этому контейнеру за
органами, подлежащими управлению и расположенными внутри этого контейнера.
Станина В расположена внутри контейнера с возможностью регулирования ее по высоте
при помощи силового цилиндра или домкрата 6
и перемещения в продольном направлении для
точной регулировки своего положения вдоль
обрабатываемых труб по отношению к месту
осуществления сварки.
В представленном и приведенном на фигурах техническом решении станина скользит по
направляющим 7 при помощи силового цилиндра или домкрата 7' на длину хода порядка нескольких десятков миллиметров. Кроме того,
контейнер содержит пол 8, на котором размещены блок 9 управления и высокочастотный
блок 10 генератора L лазерного луча. Этот контейнер оборудован также средствами 11 кондиционирования воздуха в зоне Z контейнера, где
расположены блоки 9 и 10, и средствами 12 охлаждения высокочастотного блока и генератора
лазерного луча.
Через центральные возвышения 13 в контейнер по мере необходимости подводится вода,
газ и электрическая энергия.
Очень жесткая станина поддерживает генератор L лазерного луча (см. фиг. 3, 4 и 5).
Специальные средства (14, 15, 16) предусмотрены для того, чтобы обеспечить возможность
требуемой регулировки уровня и углового положения генератора на станине таким образом,
чтобы лазерный луч имел на выходе из генератора подходящую в данном случае ориентацию.
000158
6
На станине В размещена также плита 17,
на которой смонтирован с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси х вертикальный диск, который служит кронштейном S или
опорой для рабочей головки Т, связанной при
помощи волновода G с генератором L лазерного
луча. Плита и вращающийся диск имеют центральное отверстие, предназначенное для прохода трубы V. Вращение диска обеспечивается
при помощи двигателя М и соответствующего
приводного ремня (см. фиг.6).
Волновод известным образом выполнен в
виде соответствующей последовательности
прямолинейных участков g0, g2, g4, g6, g8, последовательно связанных друг с другом сочленениями g1, g3, g5, g7, g9. Каждое такое сочленение
представляет собой колено, содержащее зеркало, которое отклоняет лазерный луч на угол 90°,
или два располагающиеся друг против друга
колена, каждое из которых содержит отклоняющее зеркало, и связанных друг с другом непосредственно или при помощи короткого прямолинейного участка волновода.
Все упомянутые сочленения в местах их
расположения неподвижно закреплены на станине. Исключение составляет только последнее
сочленение g9, которое жестко связано с рабочей головкой и перемещается вместе с ней, а
также предпоследнее сочленение g7, которое
является двойным и связано с упомянутым последним сочленением g9 при помощи телескопического прямолинейного участка g8 волновода и с предыдущим сочленением g5 при помощи
другого прямолинейного участка g6 волновода,
причем упомянутые прямолинейные участки g6
и g8 образуют подобие ножек циркуля, вершина
которого расположена в двойном сочленении g7.
Волновод такой конструкции является
предпочтительным в соответствии с предлагаемым изобретением, поскольку он содержит минимальное количество подвижных деталей, однако, специалист в данной области техники может выбрать и другой тип волновода в соответствии с теми или иными практическими соображениями.
Рабочая головка Т (см. фиг. 8, 9 и 10) в соответствии с предлагаемым изобретением образована рамой 19, на которой расположена направляющая 20 для подвижной системы Е. Эта
подвижная система Е содержит параболическое
зеркало 21 фокусирования и выходной наконечник 22 для сфокусированного лазерного луча.
Эта рама прикреплена к концу волновода G таким образом, что лазерный луч, выходящий из
волновода, входит в раму в направлении параболического фокусирующего зеркала вдоль оси
х' поступательного перемещения подвижной
системы Е. С другой стороны эта рама 19 закреплена на поворотном кронштейне S таким образом, чтобы ось х' поступательного перемещения
была параллельна оси х вращения этого поворотного кронштейна.
7
Поступательное перемещение подвижной
системы Е вызывается шариковым ходовым
винтом 23, который приводится во вращательное движение двигателем 24, установленным на
раме. Этот двигатель 24 управляется при помощи известных средств (на приведенных фигурах
не показаны) по сигналам, выдаваемым некоторым детектором стыка (труб), закрепленным на
рабочей головке таким образом, чтобы лазерный луч, выходящий из наконечника головки,
был наведен на стык между двумя подлежащими сварке трубами (режим "отслеживания стыка").
Рама 19 прикреплена к концу волновода G
при помощи любых известных и подходящих в
данном случае средств, обеспечивающих возможность относительного поворота этой рамы и
этого волновода вокруг оси х' лазерного луча.
Эти средства крепления схематически представлены на фиг.8 кольцом Р.
Рама 19 закреплена на поворотном кронштейне S или диске таким образом, чтобы иметь
возможность поступательного перемещения на
этом диске по направляющим 20' вдоль некоторой оси Z, копланарной плоскости, определяемой осями х и х', и перпендикулярной этим
осям. Это поступательное перемещение обеспечивается при помощи двигателя 25, смонтированного на раме 19, который приводит во вращательное движение шариковый ходовой винт
26. Этот двигатель управляется известным образом по сигналам, выдаваемым детектором стыка
так, чтобы расстояние между точкой фокусирования лазерного луча и наружной поверхностью
стыка двух труб было именно таким, какое необходимо для качественной сварки (режим "отслеживания поверхностного слоя").
Здесь следует отметить, что в процессе
выполнения сварки труб длина волновода остается практически постоянной.
Единственная причина изменения длины
этого волновода связана с изменением длины
телескопической ветви, которое возникает в
результате движения рабочей головки для отслеживания поверхностного слоя обрабатываемого стыка. Это изменение длины волновода
обычно не превышает величины порядка одного
сантиметра.
В соответствии с выгодной специфической
особенностью предлагаемого изобретения подвижная система Е содержит также питатель 27,
предназначенный для подачи присадочного материала 28 к месту сварки.
На барже, осуществляющей укладку трубопровода в море, выполняются следующие
операции, обеспечивающие сварку и укладку
этого трубопровода:
- подлежащую свариванию очередную
трубу подают к концу последней трубы уже
сваренного трубопровода и фиксируют эти трубы друг относительно друга в соответствующем
положении для осуществления их сварки при
000158
8
помощи тех или иных известных средств, предпочтительно, при помощи внутренних блокировочных губок или зажимов;
- перемещают контейнер таким образом,
чтобы подвести рабочую сварочную головку
непосредственно к зоне выполнения сварки и
приводят в действие средства, предназначенные
для фиксации этого контейнера на трубопроводе;
- осуществляют регулировку положения
станины таким образом, чтобы рабочая сварочная головка оказалась в положении, требуемом
для начала сварки данного стыка, принимая во
внимание диаметр используемых в данном случае труб (см. фиг.1-7);
- осуществляют сварку данного трубного
стыка;
- продвигают эту трубоукладочную баржу
в направлении укладки данного трубопровода
для того, чтобы опустить в море дополнительный участок этого трубопровода, который только что был приварен к уже имеющейся его части;
- подают новую подлежащую привариванию трубу и блокируют ее на конце трубопровода, подводя внутренние блокировочные губки
к месту расположения нового подлежащего реализации сварного соединения;
- разблокируют контейнер, который оставался закрепленным на трубопроводе в месте
предыдущего сварного соединения и переводят
этот контейнер в новое соответствующее положение. Здесь следует уточнить, что разблокирование контейнера может осуществляться и перед тем, как данная баржа завершит свое продвижение вперед, для ограничения перемещений этого контейнера и ускорения темпа работ;
- осуществляют сварку нового трубного
стыка.
Упомянутые выше операции могут быть
выполнены и в обратном порядке, запитывая
выходной наконечник лазерного луча соответствующим газом, в том случае, когда требуется
отремонтировать уложенный в море трубопровод, отрезая от него участки соответствующей
длины.
Предлагаемое изобретение не ограничивается тем вариантом его реализации, который
был описан выше.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Установка, предназначенная для выполнения работы в зоне стенки трубы посредством
лазерного луча, направленного в сторону упомянутой зоны, и имеющая устройство, которое
содержит генератор лазерного луча (L) , рабочую головку (Т), содержащую средство (21) фокусирования этого лазерного луча и выходной
наконечник для сфокусированного лазерного
луча, волновод (G) , предназначенный для передачи лазерного луча от генератора до рабочей
9
головки, и поворотный кронштейн (S) , предназначенный для перемещения рабочей головки
вокруг некоторой оси (х) , и станину (В), на которой размещены генератор лазерного луча (L)
и волновод (G) , отличающаяся тем, что на станине (В) установлен с возможностью поворота
кронштейн (S) для рабочей головки (Т) , а также
тем, что установка размещена в контейнере (С),
который содержит также блоки (9, 10) управления и высокой частоты генератора лазерного
луча и который имеет специальные отверстия
(4, 4'), предназначенные для прохождения трубы, и средства (5, 5'), предназначенные для временного закрепления контейнера на трубе таким
образом, что собственная масса этого контейнера, а также масса его содержимого, амортизируют или ослабляют передачу механических
воздействий от трубы к рабочей головке и волноводу.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем,
что контейнер закреплен на трубе при помощи
специальных амортизирующих средств.
3. Установка по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит средства (6,
6') , предназначенные для регулирования уровня
или высоты станины в контейнере в зависимости от диаметра труб.
4. Установка по одному из пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что она содержит средства (7, 7'),
предназначенные для продольного перемещения
станины в контейнере с целью регулировки ее
положения по отношению к месту работы.
5. Установка по одному из пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что контейнер содержит некоторую зону (Z) кондиционирования воздуха, в
которой на специальном полу или настиле рас-
000158
10
положены блоки (9, 10) управления и высокой
частоты генератора лазерного луча.
6. Установка по одному из пп. 1 - 5, отличающаяся тем, что рабочая головка (Т) содержит раму (19), закрепленную, с одной стороны,
на поворотном кронштейне (S), а с другой стороны, закрепленную на конце волновода (G), и
подвижную систему (Е), смонтированную с
возможностью поступательного перемещения
на упомянутой раме и содержащую средства
(21) фокусирования лазерного луча, поступающего из волновода, и выходной наконечник (22)
этого лазерного луча, причем ось (х') поступательного перемещения представляет собой ось
лазерного луча, падающего на средство фокусирования, и расположен параллельно оси (х)
вращения поворотного кронштейна (S), причем
на раме дополнительно установлен двигатель
(24), обеспечивающий поступательное перемещение подвижной системы (Е) при подаче соответствующих команд управления.
7. Установка по одному из пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что рабочая головка содержит
питатель (27), предназначенный для подачи
присадочного материала, используемого при
выполнении сварочных работ.
8. Установка по пп. 6 и 7, отличающаяся
тем, что питатель (27), обеспечивающий подачу
присадочного материала, закреплен на подвижной системе (Е).
9. Применение установки по одному из пп.
1 - 8 для сварки или для разрезания трубы некоторого трубопровода на борту баржи, обеспечивающей укладку в море этого трубопровода или
его ремонт.
Фиг. 1
Фиг. 2.
Фиг. 3
11
000158
12
Фиг. 4
Фиг. 8
Фиг. 5
Фиг. 9
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 10
13
000158
14
Фиг. 11
Фиг. 13
Фиг. 12
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, Москва, ГСП 103621, М. Черкасский пер., 2/6