Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine innenliegende Spannvorrichtung, um benachbarte
Rohrabschnitte starr in einer stirnseitig aneinanderstoßenden Beziehung zu halten, um zu
ermöglichen, daß eine Umfangsschweißung um die benachbarte Rohrenden hergestellt
werden kann, um die Rohrabschnitte aneinander zu befestigen.
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Solche allgemeine Bauarten von Spannvorrichtungen sind in der Technik bekannt,
beispielsweise die innenliegende, pneumatische Anlege-Spannvorrichtung, die von CRC-
Evans Pipeline International Inc., Houston, Texas, hergestellt wird. Eine Spannvorrichtung
dieser Art ist selbsttätig angetrieben zur Bewegung innerhalb von Rohrabschnitten und weist
zwei unabhängig betätigbare Spannmechanismen auf, die jeweils mit einem der benachbarten
Enden der beiden Rohrabschnitte in Eingriff gebracht werden können, die miteinander
verschweißt werden sollen. Jeder Spannmechanismus weist eine Anzahl von in
Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten, radial ausfahrbaren und zurückziehbaren
Spannklötzen auf. Die Spannklötze in jedem Mechanismus werden mit einem doppelt
wirkenden pneumatischen Kolben pneumatisch betätigt, der auf der Mittellinie der
Vorrichtung bewegbar ist, um die Spannklötze mit einem Kniehebelgestänge zu betätigen, das
zwischen dem Kolben und den Klötzen angeordnet ist. Die beiden Sätze von Spannklötzen
sind axial beabstandet angeordnet, so daß ein Satz zum spannenden Zusammenwirken mit der
Innenwand eines Rohrabschnitts benachbart zu einem Ende radial auswärts ausgefahren
werden kann, während der andere Satz Spannklötze in ähnlicher Weise radial auswärts in
spannendes Zusammenwirken mit der Innenwand eines benachbarten Rohrabschnitts
benachbart zu dem einen Ende ausgefahren werden kann, so daß die jeweiligen Enden der
Rohrabschnitte in Vorbereitung zu dem Verschweißvorgang starr gehalten werden können.
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Nach der Fertigstellung einer Umfangsverschweißung um die Rohrabschnittenden werden die
Spannklötze radial nach innen zurückgezogen, und die Vorrichtung kann entlang einer der
Rohrabschnitte zum anderen Ende selbsttätig angetrieben werden, wo ein ähnlicher Spann-
und Schweißvorgang ausgeführt werden kann, um einen weiteren Rohrabschnitt zu
befestigen, wodurch eine längere Rohrleitung aus einer Vielzahl von Rohrabschnitten
aufgebaut werden kann.
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Wenn automatische Umfangsschweißverfahren verwendet werden, ist es üblich, die
benachbarten Enden der miteinander zu verschweißenden Rohrabschnitte so zu positionieren,
daß ein schmaler ringförmiger axialer Zwischenraum dazwischen verbleibt. Man erkennt, daß
sich ein solcher Zwischenraum zwischen den Positionen befindet, an denen die
Rohrabschnitte gespannt werden, so daß Schweißprodukte durch den Zwischenraum auf die
Spannvorrichtung fallen können. Auch kann nach Fertigstellung der Schweißung kann eine
extrem rauhe Umfangsschweißnaht auf der Innenseite der Rohrabschnitte verbleiben.
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Um das vorgenannte Problem zu lösen, ist vorgeschlagen worden, sogenannte
Unterstützungs- oder Andruckklötze zu verwenden, die üblicherweise aus Kupfer bestehen
und die entweder an den Sätzen von Spannklötzen befestigt sind oder stattdessen verwendet
werden. Solche Kupfer-Andruckklötze bestehen aus Segmenten aus zwei unterschiedlichen
Konfigurationen, die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind und in Umfangs- und
radialer Richtung überlappende, angeschrägte Stirnflächen aufweisen, um eine radiale äußere,
in Umfangsrichtung ununterbrochene zylindrische Fläche sowohl in der vollständig
eingezogenen als auch in der vollständig ausgefahrenen Position der Andruckklötze zu bilden.
Wenn im Gebrauch beispielsweise die kupfernen Andruckklötze an den vorderen
Spannklötzen befestigt oder stattdessen verwendet werden, werden die hinteren Spannklötze
zunächst radial nach außen ausgefahren, in spannendes Zusammenwirken mit einem Ende
eines der Rohrabschnitte, und dann werden die kupfernen Andruckklötze radial nach außen in
Zusammenwirken mit dem anderen Rohrabschnitt ausgefahren, um auch den ringförmigen
Zwischenraum zwischen den benachbarten Enden der Rohrabschnitte zu überbrücken. Diese
Überbrückung ist dadurch möglich, daß jeder der Andruckklötze eine axiale Abmessung
aufweist, die beträchtlich größer ist als der axiale Zwischenraum bzw. Abstand zwischen den
Enden der Rohrabschnitte, der für Schweißzwecke erforderlich ist, so daß die Andruckklötze,
wenn sie sich in spannendem Zusammenwirken mit den Rohrabschnitten befinden, eine
ununterbrochene Abstützfläche unmittelbar benachbart zu den Innenwänden der
Rohrabschnitte bilden. Daher bleiben Schweißprodukte während des Schweißvorgangs
innerhalb des ringförmigen Kanals, der durch die Enden der Schweißabschnitte und den in
Umfangsrichtung verlaufenden Kanalboden, der durch die Andruckklötze gebildet wird,
begrenzt ist.
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Die US-A-5110031 beschreibt eine innenliegende Anlege-Spannvorrichtung zum Festhalten
von zwei benachbarten Rohrabschnitten, die erste und zweite Spannmechanismen verwendet,
um jeweilige Rohrabschnitte zu spannen, und Andruckklötze, die in Zusammenwirken mit
dem Inneren der Rohrabschnitte ausfahrbar sind, um eine Schweißnaht dazwischen zu
unterstützen, wobei die Andruckklötze von pneumatischen oder hydraulischen Zylindern
getragen sind. Wenn die Andruckklötze zurückgezogen werden sollen, müssen die
pneumatischen oder hydraulischen Zylinder entsprechend gesteuert werden: Daher erfordert
die Andruckklotzanordnung die Bereitstellung eines Systems, zusätzlich zu den
Spannmechanismen und der Steuerungseinrichtung dafür, zum Aktivieren und Steuern der
pneumatischen oder hydraulischen Zylinder, die die Andruckklötze tragen. Dies ist
kompliziert und teuer.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte, innenliegende
Anlege-Spannvorrichtung bereitzustellen, die in Umfangsrichtung verlaufende Andruckklötze
aufweist, mit denen bestimmte vorteilhafte Merkmale im Vergleich zu denen der bekannten
Vorrichtungen verbunden sind.
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Erfindungsgemäß wird eine innenliegende Anlege-Spannvorrichtung zum Festhalten von
zwei benachbarten Rohrabschnitten aneinander in einer stirnseitig aneinanderstoßenden
Beziehung bereitgestellt, mit einem ersten Spannmechanismus, der so wirkt, daß er einen
ersten Satz von in Umfangsrichtung angeordneten Spannklötzen radial in spannendes
Zusammenwirken mit der Innenseite eines ersten Rohrabschnitts ausfährt; einem zweiten
Spannmechanismus, der so wirkt, daß er einen zweiten Satz von in Umfangsrichtung
angeordneten Spannklötzen radial in spannendes Zusammenwirken mit der Innenseite eines
zweiten Rohrabschnitts ausfährt; und einem Andruckklotzmechanismus, der aus einer Anzahl
von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Andruckklötzen besteht, die so angeordnet sind,
daß sie eine radiale äußere zylindrische Fläche bilden, wobei die Andruckklötze axial
zwischen den Sätzen von Spannklötzen angeordnet sind und radial auswärts in
Zusammenwirken mit der Innenseite der Rohrabschnitte ausfahrbar sind, wenn die Abschnitte
durch die Spannmechanismen gespannt werden, wobei jeder der Andruckklötze elastisch in
eine radial auswärts weisende Richtung vorgespannt ist, so daß er unter dieser Vorspannung
mit den Innenwänden benachbarter Rohrabschnitte in Zusammenwirken gebracht werden
kann und einen axialen Zwischenraum dazwischen überbrücken kann, wenn sie durch die
Spannmechanismen gespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmechanismen
jeweils ein Anschlagmittel benachbart zu jedem Spannklotz aufweisen, das damit beweglich
ist, zum Zusammenwirken mit einem Stützabschnitt eines benachbarten Andruckklotzes, um
das Zurückziehen des Andruckklotzes durch Zusammenwirken des Anschlags damit zu
bewirken, wenn der Spannklotz zurückgezogen wird. Jedes der Anschlagmittel ist
vorzugsweise so angeordnet, um die radial auswärts gerichtete Bewegung eines zugehörigen
Spannklotzes unter dessen elastischer Federvorspannung zu begrenzen · und auch das
Zurückziehen des Andruckklotzes durch Zusammenwirken des Anschlags damit zu
ermöglichen, wenn der Spannklotz zurückgezogen wird.
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Jeder der Spannmechanismen ist unabhängig vom anderen mittels einer
Fluiddruckeinrichtung betätigbar, umfassend eine pneumatische Kolben- und
Zylindervorrichtung, die betätigbar ist, um sämtliche Spannklötze des Spannmechanismus
gleichzeitig auszufahren und zurückzuziehen. Zweckmäßigerweise ist jeder Andruckklotz in
einer radial auswärts weisenden Richtung mittels einer Spiraldruckfeder vorgespannt.
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Dadurch kann im Gebrauch anfangs ein erster Spannmechanismus unter pneumatischem
Druck betätigt werden, um seinen Satz Spannklötze radial auswärts in spannendes
Zusammenwirken mit der Innenwand eines ersten Rohrabschnitts benachbart zu dessen Ende
auszufahren. Während und nach Beendigung dieses radial auswärts gerichteten Ausfahrens
des ersten Satzes Spannklötze verbleiben die Andruckklötze in ihren radial innenliegenden
Positionen aufgrund ihres Zusammenwirkens mit den jeweiligen Anschlägen auf den
Spannklötzen des zweiten Spannmechanismus. Danach kann der zweite Spannmechanismus
unter pneumatischen Druck betätigt werden, um seinen Satz Spannschuhe radial auswärts in
spannendes Zusammenwirken mit der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts benachbart zu
dessen Ende auszufahren. Während der radial auswärts gerichteten Bewegung des zweiten
Satzes Spannklötze können sich die Spannschuhe radial auswärts unter ihrer
Federvorspannung bewegen, so daß wenn das spannende Zusammenwirken des zweiten
Satzes Spannklötze mit dem zweiten Rohrabschnitt vollständig ist, die Andruckklötze in
federbelasteten Zusammenwirken mit den Innenwänden der benachbarten Enden beider
Rohrabschnitte sind.
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Sämtliche Andruckklötze weisen vorzugsweise eine identische Konfiguration auf, wobei sie
ebene Stirnseiten haben, die sich schräg von einer axialen Seite des Klotzes zur anderen
erstrecken, wobei der Neigungswinkel einer jeder Stirnseite jedes Klotzes gleich und
entgegengesetzt bezüglich einer axialen Seite des Klotzes ist, so daß jeder Klotz, in radialer
Richtung gesehen, das Erscheinungsbild eines gleichschenkligen Trapezoids besitzt. In
Umfangsrichtung benachbarte Andruckklötze sind so angeordnet, daß sie axial in
entgegengesetzten Richtungen weisen, so daß eine schräge Stirnseite eines Andruckklotzes in
Kontakt mit einer entsprechenden schrägen Stirnseite eines benachbarten Klotzes ist, und die
Klötze in Umfangsrichtung so angeordnet sind, daß sie eine im wesentlichen ununterbrochene
zylindrische radiale Außenfläche bilden.
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Die schrägen Stirnseiten der Andruckklötze sind so angeordnet, daß benachbarte Seiten
während des radialen Ausfahrens und Zurückziehens der Andruckklötze in unmittelbarem
Gleitkontakt miteinander verbleiben, wobei jeder Klotz so angebracht ist, daß ein begrenztes
Maß axialer Bewegung, das beim radialen Ausfahren und Zurückziehen der Klötze auftritt,
aufgenommen wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, die
lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
wobei
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Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer innenliegenden, pneumatischen Anlege-
Spannvorrichtung zeigt, die gemäß der Erfindung aufgebaut und an Ort und Stelle an einer
Verbindung gespannt ist, die zwischen zwei benachbarten, stirnseitig aneinanderliegenden
Rohrabschnitten herzustellen ist,
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Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Spannvorrichtung nach Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Andruckklotzes der Spannvorrichtung zeigt;
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Fig. 4 eine schematische Schnittansicht ist, die die Position zeigt, die von einem der
Spannklötze eines Satzes eingenommen wird, wenn sie sich in spannendem Zusammenwirken
mit dem Inneren eines Rohrabschnitts befinden, und auch die Position zeigt, die von einem
Andruckklotz und einem Spannklotz des anderen Satzes eingenommen wird, wenn sie sich in
ihren zurückgezogenen Positionen befinden; und
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Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4 zeigt, wobei aber die Positionen dargestellt sind, die
von den Spann- und Andruckklötzen eingenommen werden, wenn sie sich in ihren radial
ausgefahrenen Spannpositionen im Zusammenwirken mit benachbarten, schweißfertigen
Rohrabschnitten befinden.
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In Fig. 1 und 2 der Zeichnungen ist in schematischer Form eine innenliegende, pneumatisch
betätigte Anlege-Spannvorrichtung dargestellt, die vordere und hintere Sätze 10 und 12 von in
Umfangsrichtung benachbarten, radial bewegbaren Spannklötzen 14 und 16 und einen Satz 18
von Andruckklötzen 20 aufweist, die so angeordnet sind, daß sie sich in Umfangsrichtung der
Spannvorrichtung erstrecken und axial zwischen den beiden Sätzen von Spannklötzen
angeordnet sind.
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Jeder Satz Spannklötze ist über einen pneumatisch angetriebenen Spannmechanismus
betätigbar, der an sich bekannt ist. Ein nicht dargestellter, doppelt wirkender pneumatisch
betätigter Kolben, der linear auf einer Mittellinie der Spannvorrichtung bewegbar ist, ist über
ein Kniehebelgestänge, von dem ein Gelenk 21 in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, mit einem Satz
von in Umfangsrichtung beabstandeten Stangen 22 verbunden, von denen jede radial in einer
Führung in einem Teil des Spanngehäuses bewegbar ist. Das äußere Ende einer jeden Stange
22 trägt einen Spannklotz 14, 16 darauf, von denen jeder zweckmäßigerweise die dargestellte
Form besitzt und ein Paar in Umfangsrichtung beabstandeter Walzen 24 haben kann, die
jeweils in einem Tragarm 25 zur Drehung um eine parallel zur Längsachse der Anlege-
Spannvorrichtung verlaufende Achse gehalten ist. Somit sind alle Spannklötze 14, 16 eines
Satzes 10 bzw. 12 gleichzeitig miteinander entweder radial nach innen oder radial nach außen
aus der Spannvorrichtung bewegbar, und jeder Satz 10 bzw. 12 von Spannklötzen ist
unabhängig vom anderen bewegbar.
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Ein Andruckklotzmechanismus umfaßt einen Satz von identisch konfigurierten
Andruckklötzen 20, die in Umfangsrichtung relativ zueinander angeordnet sind, um eine
radial äußere, im wesentlichen ununterbrochene zylindrische Fläche zu bilden, die sich axial
zwischen den vorderen und hinteren Sätzen 10, 12 der Spannklötze befindet. Jeder
Andruckklotz 20 besteht zweckmäßigerweise aus Kupfer und hat eine in Umfangsrichtung
bogenförmige Außenfläche 26, die, in radialer Richtung betrachtet, die Form eines
gleichschenkligen Trapezoids aufweist, d. h. daß jeder Andruckklotz eine längere axiale Seite
28 und eine kürzere axiale Seite 30 aufweist, die parallel zueinander sind, und zwei
Stirnseiten 32, die jeweils schräg bezüglich des Klotzes von einer axialen Seite 28 zur
anderen axialen Seite 30 unter gleichen und entgegengesetzten Winkeln verlaufen.
Abwechselnde Andruckklötze 20 sind so angeordnet, daß sie in entgegengesetzte Richtungen
weisen, so daß sich benachbarte schräge Stirnseiten 32 in unmittelbarem Gleitkontakt
miteinander befinden, wie nachfolgend noch erläutert wird, so daß die genannte fortlaufende
radiale äußere zylindrische Fläche gebildet wird.
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Jeder der Andruckklötze 20 ist am radial äußeren Ende eines Tragsattels 34 gehalten, der
seinerseits einen zylindrischen Schaft 36 aufweist, der sich radial in eine Bohrung 37 des
Gehäuses der Spannvorrichtung erstreckt, die sich zwischen den vorderen und hinteren Sätzen
10 bzw. 12 von Spannklötzen befindet. Jede Bohrung enthält eine starke Spiraldruckfeder 38,
die gegen das radial innere Ende eines Sattelschafts 36 drückt. Innerhalb des Sattels 34 ist ein
Tragbügel 40 für jeden Andruckklotz 20 angebracht, wobei der Bügel 40 für eine begrenzte
gleitende axiale Bewegung der Spannvorrichtung auf einem Schaft 42 gehalten ist, der sich
axial von einem Endabschnitt des Sattels 34 zum anderen erstreckt. Ein Federmittel ist
vorgesehen, um den Bügel 40 entweder in Axialrichtung zu einem Ende des Sattels 34
vorzuspannen, oder um den Bügel 40 in dem Sattel 34 zu zentrieren. Ein Andruckklotz 20 ist
in jedem Bügel 40 mittels Bolzen 44, die sich axial durch die Seitenwände eines Bügels 40 in
Gewindebohrungen 45 in den gegenüberliegenden axialen Seiten 28 und 30 des
Andruckklotzes 20 erstrecken, angebracht.
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Wie aus den Zeichnungen deutlich wird, hat jeder Tragarm 25 für jeden Spannklotz 14 und 16
eine axial verlaufende Anschlagvorrichtung in Form einer Zunge 46, wobei sich die Zungen
von gegenüberliegenden Paaren von Spannklötzen 14, 16 zueinander erstrecken, so daß sie
über den radial äußeren Rändern eines benachbarten Andruckklotzsattels 34 liegen.
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Wenn sich die Spannklötze 14, 16 der beiden Sätze in ihren radial innersten,
zurückgezogenen Stellungen befinden, sind die Andruckklötze 20 ebenfalls in ihren radial
innersten, zurückgezogenen Stellungen, da die Zungen 46 von einem oder beiden Sätzen 10
bzw. 12 von Spannklötzen auf den Sätteln 34 der Andruckklötze aufliegen, um sie radial nach
innen gegen die Vorspannung ihrer Spiraldruckfedern 38 zu drücken. Umgekehrt, wenn sich
beide Spannklotzsätze 10 und 12 in ihren radial äußersten ausgefahrenen Stellungen befinden,
sind die Andruckklötze 20 unter dem Einfluß von deren Spiraldruckfedern 38 in radial nach
außen ausgefahrenen Stellungen, aber begrenzt gegen weitere radiale Auswärtsbewegung
durch Anschlagen der Sättel 34 gegen die Zungen 46 der Spannklötze.
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Die schrägen Stirnseiten 32 der Anlageklötze 20 liegen in radialen Ebenen, um zu
gewährleisten, daß die Flächen während des radialen Ausziehens und Einfahrens der Klötze
20 in Gleitkontakt miteinander verbleiben. Es sei bemerkt, daß ein radiales Ausfahren und
Zurückziehen der Andruckklötze 20, während sie in Gleitkontakt miteinander an ihren
schrägen Stirnseiten 32 verbleiben, eine relative Axialbewegung zwischen benachbarten
Klötzen erfordert, was durch Bewegung der Tragbügel 40 auf ihren Schäften 42 innerhalb der
jeweiligen Sättel 34 erreicht wird, wie vorstehend beschrieben.
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Im Gebrauch wird eine Anlege-Spannvorrichtung in einen ersten Rohrabschnitt P1 eingesetzt
und daran in bekannter Weise verspannt, indem die Spannklötze 14 des Satzes 10 in
spannendes Zusammenwirken mit der Innenwand des Rohrabschnitts gegen dessen Ende
radial auswärts ausgefahren werden. Ein zweiter, an den ersten Abschnitt anzuschweißender
Rohrabschnitt P2 wird dann mit dem zweiten Satz 12 von Spannklötzen 16 gespannt,
nachdem er von Hand relativ zu dem ersten Rohrabschnitt positioniert worden ist, so daß der
erforderliche, kleine ringförmige axiale Zwischenraum S dazwischen für Schweißzwecke
freibleibt. Während des radial auswärts gerichteten Ausfahrens des zweiten Satzes von
Spannklötzen 16 in spannendes Zusammenwirken mit der Innenwand des zweiten
Rohrabschnitts P2 können sich die Spannklötze 20 unter dem Einfluß ihrer Spiraldruckfedern
38 radial nach außen in festes Zusammenwirken mit den Innenwänden der beiden
Rohrabschnitte P1 und P2 bewegen und den genannten axialen Zwischenraum 5 dazwischen
überbrücken. Somit hat der Abstand 5 die Form eines Kanals, der durch die Stirnwände der
benachbarten Rohrabschnitte P1 und P2 gebildet wird und einen Boden hat, der durch die
Andruckklötze 20 gebildet wird, wobei dieser Boden eine im wesentlichen ununterbrochene
zylindrische Form aufweist, so daß während des Schweißvorgangs verhindert wird, daß
Schweißmaterialien durch den Zwischenraum S auf die Spannvorrichtung hindurchgehen,
wobei nach dem Schweißen eine ununterbrochene, saubere, geschweißte Oberfläche an der
Innenseite der miteinander verbundenen Rohrabschnitte P1 und P2 vorhanden ist.
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Nach Fertigstellung des Schweißvorgangs wird einer der beiden Sätze von Spannklötzen 14
oder 16 radial nach innen zurückgezogen. Diese radial einwärts gerichtete Bewegung der
Spannklötze hat auch ein radial nach innen gerichtetes Zurückziehen der Andruckklötze 20
zur Folge, da die Zungen 46 auf einem Satz von Spannklötzen 14 oder 16 die entsprechenden
Sättel 34 der Andruckschuhe gegen den Einfluß ihrer jeweiligen Druckfedern 38 radial nach
innen drücken. Danach kann der andere Satz von Spannklötzen radial nach innen
zurückgezogen werden, wodurch die Spannvorrichtung zur Bewegung in Längsrichtung des
Rohrs zum Ende eines weiteren Rohrabschnitts bewegt werden kann, um einen weiteren
Schweißvorgang auszuführen.