JP2022008238A - パイプおよびパイプセグメントの円周溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、パイプまたはパイプセグメントを互いに円周溶接してパイプラインを形成するための設備および方法、すなわち円周溶接を提供する。
【解決手段】スキャナ溶接ユニット、制御ユニット、および溶接ユニットが組み合わせられ、２つのパイプまたはパイプセグメントごとの２つのインターフェースするベース／円筒面の間に形成される継ぎ目に沿って継ぎ目の上方を移動し、パイプおよび／またはパイプセグメントの相対的な位置決め、整列、およびレベリング、ならびにそれらの表面形状およびトポグラフィを走査し、継ぎ目の底部の根元層から始まって継ぎ目の縁まで溶接材料を重ね、キャップ層で継ぎ目を封止する。溶接ユニットは、溶接先端部を継ぎ目へと下降させ、溶接先端部は、溶接中に自身の軸線上で表面に対するさまざまな角度に回転することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、円周溶接に関する。とくには、本発明は、パイプまたはパイプセグメントを、継ぎ目のトポグラフィの走査および分析、それらのインターフェースする表面のお互いに対する位置決めおよびレベリング、これらの表面の事前の走査およびマッピング、ならびにそれらの間に生じたギャップの走査およびマッピング結果に基づく溶接材料による充てんに基づいて、互いに溶接するための設備および方法に関する。

溶接は、金属部品を接合するための充分に確立されたプロセスである。とくには、溶接は、かなりの距離にわたって延び、さらには／あるいは流体、液体、または気体を流すパイプラインの敷設に不可欠である。そのようなパイプラインは、互いに接続され、気密に封止された内部容積を形成する複数のパイプセグメントで作られる。パイプラインから漏れが発生しないことを保証するために、２つのセグメントごとの間の接続領域を、溶接材料で封止して完全に充てんする必要がある。これを確実にするために、パイプセグメントは、お互いに対して可能な限り水平でなければならず、溶接材料は、パイプセグメントのインターフェースする表面のトポグラフィおよびお互いに対するそれらの相対的な位置決めにフィットしなければならない。

現時点において、パイプセグメントを互いに溶接することによるパイプラインの形成は、主に人間の専門家の技能、経験、および知識に依存している。溶接をどのように進めるかについての意思決定は、パイプラインの建設現場で、監督する専門家の裸眼による観察を用いて行われる。専門家は、セグメントのお互いに対する位置決めおよびレベリングを監視し、溶接が進行するにつれてパイプセグメントの表面のトポグラフィを継続的に識別し、表面間の継ぎ目の内部で溶接装置を手動で案内する。欠点は、主に人間の専門知識および労力に大きく依存することに起因する。そのような方法は、高価な手作業ベースの作業、人間の専門知識および個人的知識への強い依存、ならびにパイプをお互いに対してどのように位置させるか、およびパイプをどこでどの程度溶接するかについての現場での直感的な意思決定を含む。気密に溶接されていないパイプラインの重大性は、その動作全体に影響を及ぼし、パイプラインを通る流体の流れの完全な停止につながる可能性がある。さらに、補修を、理想的ではなく、あるいは不可能でさえあり得る条件下で必要とされ、不可能になる可能性さえある。

溶接装置および設備が、パイプまたは任意の２つの金属表面の溶接の分野において知られている。本出願の出願人に譲渡済みの特許文献１が、パイプの曲面などの曲面上を移動し、２つのパイプセグメントごとの間のインターフェースする表面を溶接するために、移動ユニットによって運ばれる溶接装置を有するモジュール式の溶接設備を記載し、特許請求している。特許文献１に記載および図示された溶接装置は、参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、これは、以下で詳述されるように異なる事前走査方法および設備を必要とする円周溶接のための本発明の設備に組み込まれる。

したがって、本発明の目的は、パイプラインの現在の人間および手動の溶接方法ならびに現在の機械的な設備および方法を置き換える円周溶接のための設備を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、溶接前および溶接中にパイプセグメントのインターフェースする表面のトポグラフィを事前走査およびマッピングするための走査装置および技術を含む円周溶接のための設備を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、溶接が反復可能な閉じた経路にて行われ、そのような経路が、とりわけ、揺動経路、円周経路、ジグザグ経路、および横８の字経路を含む円周溶接のための設備および方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、パイプのインターフェースする表面の走査およびマッピングと、隣り合うパイプセグメント間のインターフェースの継ぎ目に沿った溶接および溶接装置の前進とを同期させる同期式の設備および方法を提供することである。

本発明のこの目的および態様ならびに他の目的および態様は、説明が進むにつれて明らかになるであろう。

国際公開第２０１３／０７６５４１号

一態様において、本発明は、事前走査技術を使用する円周溶接のための新規なプラットフォームを提供する。円周溶接は、通常は、金属パイプを接続するために使用され、溶接プロセスは、以下の段階を含む。
以下を含む準備：
２つのパイプまたはパイプセグメントごとの端面を互いに接触するように配置する；
２つのパイプ／パイプセグメント（パイプおよび／またはパイプセグメント）間の位置決め、レベリング、およびフィッティングを行い、それらを溶接継手のために準備する；
２つのパイプの間の接続線に沿ってＵ字形またはＶ字形であってよい溶接継手プロファイルを識別する。

２つのパイプまたはパイプセグメントごとの表面間のインターフェースにおける継ぎ目のプロファイル形状が、パイプの壁の厚さおよび材料応じて異なる角度を有することができることに留意されたい。さらに、継ぎ目の湾曲は、完全に正確ではなく、パイプ間で異なる可能性がある。さらに、パイプの寸法の間にもばらつきが存在し、継手の円周に沿って整列ずれ領域を引き起こす可能性がある。例えば、特定の領域内の一方のパイプが、他方のパイプの平行領域よりも高くなる可能性がある。
以下を含む溶接：
ＧＭＡＷ（ガス金属アーク溶接）、ＭＡＧ（金属活性ガス）、ＭＩＧ（金属不活性ガス）、パルスＭＩＧ、ＲＭＤ（制御金属堆積）、およびＦＣＡＷ（フラックスコアアーク溶接）から選択されてよい溶接プロセス；
溶接先端部を、２つのパイプのインターフェースする表面の間の継手の中心、かつそれらの底部から所定の高さに自動的に配置する；
根元層から始まり、次いで高温パス、充てん（必要に応じて）、最後にキャッピングの層にて溶接を適用する；
＊溶接層の数は、壁の厚さに依存する。
＊継ぎ目が広くなるにつれて、溶接は、典型的な∞（「横８の字」）またはジグザグ運動であってよい揺動を含むことができる。揺動モードを含む溶接の円周モードは、溶接装置が継ぎ目の底部から上部まで層状の方法でパイプ／パイプセグメント間の継ぎ目を充てんすることを可能にする。とくには、このような揺動モードは、溶接プロセスが継ぎ目の底部の根元溶接層から上部のキャップまで進むときに、溶接材料の空間的に均一な分布および積層を可能にする。溶接ユニットが揺動モードで動作するとき、スキャナユニットは、そのようなモードに適合して、継ぎ目の溶接されるセクションの正しい瞬間画像をデータプロセッサに提供する。したがって、コントローラは、継ぎ目の底部から任意の距離にある任意の特定の層の溶接を完了するまで、正しい経路で周回するように溶接ユニットに対して正しいコマンドを発行する。任意のタイプの閉ループ経路が振動モードに含まれることに留意されたい。

さらに、コントローラは、溶接を監視、監督、および制御し、溶接ユニットに対して指令を発行して、パイプ／パイプセグメントのインターフェースする表面上およびそれらの間の任意の局所的なセクション、領域、スポット、または地点における溶接をリアルタイムで最適化するように構成される。溶接プロセスにおいて、スキャナ溶接ユニットは、任意の所与の段階でそのような特定のセクション、領域、スポット、または地点を走査し、関連の画像をプロセッサユニットに送信する。プロセッサユニットは、例えば画像分析ソフトウェアで画像を分析し、局所溶接の現在の状態を生成する。さらに、溶接履歴アーカイブに基づく比較分析を組み込んで、この局所溶接が最適な結果に達したかどうか、またはさらなる溶接動作が必要かどうかを判定することもできる。次いで、コントローラは、溶接およびスキャナ溶接ユニットをナビゲートして、溶接領域の上方のさらなるパスを実行させ、例えば材料が不足している継ぎ目に残るボイドまたはエンクロージャ内に溶接材料を追加し、あるいは余分な溶接材料をこすり取ることによって、局所溶接を完了させる。
以下を含む検査：
場合によっては、溶接品質を検査するために移動式Ｘ線撮像手段が使用される；
そうでない場合、目視検査または携帯型超音波手段を使用して検査を行うことができる。

溶接された継ぎ目の封止を試験するためのさらなる手段は、パイプの内部に圧力を加えたときの接続ラインからの漏れをチェックする静水測定であり得る。場合によっては、漏れチェックは、静水圧測定を使用して行われる。

特定の一実施形態において、溶接装置の円周運動は、レール上で行われてもよい。別の特定の実施形態において、溶接プロセスは、通常は、協働する２つ以上の溶接装置／移動ユニットを使用して行われる。さらに別の実施形態において、溶接品質は、それぞれの溶接プロセスの後に測定される。一態様において、本発明は、平行な表面間のインターフェースに形成された継ぎ目を溶接するための円周溶接装置を提供する。とくには、そのような装置は、溶接スキャナユニット、制御ユニット、および溶接ユニットを備える。

いくつかの実施形態において、制御ユニットは、溶接ユニットおよび溶接先端部を移動させるサーボロボットシステムも制御する。

特定の一実施形態において、制御ユニットは走査情報を取得し、スキャナ情報に基づいて溶接先端部の位置および向きを制御する。さらに、制御ユニットは、溶接パラメータを制御することもできる。そのようなパラメータは、溶接先端部の移動速度、継ぎ目における溶接先端部の位置、溶接先端部の移動／揺動、揺動周波数、および溶接材料の流れの量であってよく、あるいはこれらに関連することができる。
一実施形態において、円周溶接スキャナユニットは、以下の動作を行うように構成される。

スキャナは、溶接継ぎ目のコンターを走査し、テクスチャ（錆および表面粗度など）および幾何学的パラメータを測定する。
スキャナを、円周溶接手順の前、最中、および後に使用することができる。
スキャナは、溶接継ぎ目の異常な事例を検出することができる。
スキャナは、溶接前に異常な事例が検出された場合に、溶接前走査においてパイプの互いの相対的な位置、レベリング、および向きの最適化を可能にする。
溶接後走査において、スキャナは、異常な事例が検出されたときに、特別な溶接プロセスを開始させることができる警報をもたらすことができる。

各々の溶接事象について、以下のパラメータが記録される。時間、パイプ情報（直径、材料、壁の奥行き、トポグラフィ）、幾何学的パラメータ（例えば、継ぎ目の形状および溶接角度）、環境条件（例えば、温度、湿度）、溶接パラメータ、および溶接品質（とくには、どの単位で品質を測定するか）。

いくつかの実施形態において、溶接角度は、溶接位置に対する溶接ユニットの位置に依存する。
いくつかの実施形態において、溶接装置の制御ユニットは、履歴溶接データを使用して、現在の検出されたパラメータに従って最適な溶接パラメータを設定する。

溶接装置のさらなる実施形態は、以下の特徴を含む。制御ユニットは、継ぎ目の底部から溶接先端部までの一定の距離を維持する。

場合によっては、溶接先端部は継ぎ目の内部で揺動し、水平方向の揺動の振幅（左右）は、溶接先端部の設定位置において継ぎ目の壁から一定の距離を保つように設定される。パイプセグメントの壁からの安全距離を考慮して振幅を計算および設定する１つのやり方は、以下のとおりである。

振幅＝（溶接先端部の位置におけるプロファイル幅）－２×（継ぎ目壁からの距離）。特定の実施形態において、そのような典型的な距離は、パルスＭＩＧ溶接について１ｍｍであってよく、連続ＭＩＧについて２ｍｍであってよい。

さらに別の特定の実施形態において、溶接設備は、２つ以上の円周溶接装置を備え、溶接装置の各々は、スキャナユニット、制御ユニット、および溶接ユニットを含む。さらに別の特定の実施形態において、円周溶接装置は、互いに通信し、溶接プロセスのために関連情報を交換する。例えば、或る円周溶接装置の制御ユニットが、別の円周溶接装置の制御ユニットから情報（走査データを含む）を受信する。

特定の一実施形態において、パイプまたはパイプセグメントの上縁の垂直方向の整列ずれが形成され、それが設定されたしきい値よりも大きい場合、溶接装置は、継ぎ目の下側により多くの溶接材料を展開する。

さらに別の特定の実施形態において、溶接ノズルの位置は、溶接継ぎ目の開口の幅を測定すると決定される。とくには、ノズルは、溶接のための初期点として開口の幅の中央に配置される。

さらに別の特定の実施形態において、溶接先端部の高さは、この高さの測定値に従って溶接材料の流れの量を制御する。具体的には、高さは、継ぎ目の底部から、壁プロファイルが平坦になる地点まで測定される。

さらに別の特定の実施形態において、パイプセグメントのインターフェースする表面の間に０よりも大きい水平方向の根元ギャップが生じる可能性がある。このギャップは、とくには、Ｖ字形またはＵ字形の継ぎ目を一緒に形成する表面間に形成される継ぎ目の底部に形成される。そのような場合、揺動溶接装置は、溶接ノズルを溶接線に対して垂直な方向に揺動させることで、形成されたギャップを閉じ、溶接による床をもたらし、この床の上方で、継ぎ目を溶接材料でさらに充てんすることができる。

溶接プロセスによって溶接部位に穴が生じるバーンスルー事象の特定の実施形態において、スキャナは、バーンスルーの事象を検出し、穴を埋め、あるいは穴の発生を防止する修正動作を開始させることができる。

１つの特定の実施形態において、２つのパイプまたはパイプセグメントを互いに溶接するための方法は、以下の動作、すなわち
溶接の完了後に継ぎ目を事後走査およびマッピングするステップと、
溶接された継ぎ目の走査およびマッピングデータを処理ユニットに送信するステップと、
継ぎ目における非最適な溶接の場所および／またはスポットを識別するステップと、
これらの場所および／またはスポットへとロボットを移動させるステップと、
これらの場所および／またはスポットにおいて溶接を修正して完全にするステップと
をさらに含む。
非最適な溶接は、不完全、不足、欠陥、偏った分布、または過剰な溶接材料を含むことができる。

さらに、この溶接方法は、過去の溶接作業およびプランの履歴データに関連し、それらを現在の溶接プロジェクトに適用することができる。履歴データの参照が当てはまる特定の動作は、以下のとおりであり、すなわち
以前の溶接ラウンドまたはパスの走査および溶接関連履歴を記憶するステップ、
この履歴を読み出し、処理ユニットへともたらすステップ、
この履歴を現在の溶接プロジェクトにおいて得られた走査データと比較するステップ、
そのような過去のラウンドまたはパスの履歴と走査データとの間の類似点および相違点を識別するステップ、および
読み出した履歴と走査データとの間の比較に基づいて継ぎ目の現在の溶接のための溶接プランを作成するステップ
である。

溶接装置による２つのパイプの互いの溶接の概略図を示している。 典型的な溶接装置を示している。 ２つの溶接装置が溶接継ぎ目の平行な位置で２つのロボットに取り付けられた概略的な協調溶接のための設備を示している。 溶接継ぎ目の付近のパイプの表面上をレールに沿って移動する２つの移動ユニットに取り付けられた２つの溶接システムからなる設備を示している。移動ユニットは、制御ユニットによって制御されるロボットシステムであってよい。 パイプの表面上のレールに沿って移動する移動ユニットに取り付けられた溶接装置を有する溶接設備の概略の正面図を示している。 図６Ａは、ロボット上の溶接装置およびパイプ表面上の移動ユニットを断面図にて概略的に示している。図６Ｂは、ロボット上の溶接装置およびパイプ表面上の移動ユニットを断面図にて概略的に示している。 ２つのパイプ間の溶接継ぎ目における溶接の進行を概略的に示している。 溶接プロセスにおいて考慮される継ぎ目のさまざまな相対的なギャップおよび寸法を概略的に示している。

円周溶接の設備および方法の詳細な説明を、本項において提示する。以下の部分は、添付の図面を参照して、本発明の技術的範囲を限定することなく、本発明の特定の例および好ましい実施形態を説明する。

本発明の円周溶接の設備および方法は、本質的に、２つのインターフェースするパイプまたはパイプセグメントの気密溶接のための必須のニーズを満たすように構成される。図１に示されるように、溶接装置３が、２つのパイプ１および２のインターフェースする表面の間に自然に形成される継ぎ目４に配置される。図８に示されるように、溶接装置のノズル１０が、継ぎ目に進入し、溶接されるパイプ１および２の外壁、すなわちインターフェースする表面を覆う。さらに、図８は、継ぎ目の完全な封止に達するために円周溶接において考慮されるさまざまな寸法パラメータを示している。これらのパラメータは、本明細書において後述される。

溶接装置３が、図２に概略的に示されている。装置は、パイプの軸線に平行な直線アーム５を備えている。調整機構１６が、溶接装置８とスキャナ７との間の距離の微調整を可能にする。溶接先端部１０（図８を参照）を有する溶接装置８は、継ぎ目４の開口部に沿って移動し、継ぎ目の内側に挿入されて、底部から上部へと気密な封止をもたらす。スキャナ７は、継ぎ目を辿って走査を行い、アーム５へと位置調整の指令を（例えば、コントローラを介して）もたらすために使用される。アーム５は、移動スライド１６を駆動するモータ９によって駆動される。溶接装置３は、高さ調整および制御装置１８を備えてもよい。遮蔽装置１７が、溶接先端部に保護を提供し、したがってＧＭＡＷ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、パルスＭＩＧ、ＲＭＤ、およびＦＣＡＷにおいて知られているような遮蔽ガスの使用を可能にする。

溶接プロセスにおいて継ぎ目に沿って溶接装置を前進させるために、走行ユニットが、溶接ユニット、制御ユニット、および溶接スキャナユニットを運び、これらを制御ユニットの制御および命令の下で溶接の進行につれて移動させる。走行ユニットは、溶接スキャナユニット、制御ユニット、および溶接ユニットを運び、パイプ／パイプセグメントの表面に沿って走行するためのロボットをさらに備えることができる。あるいは、走行ユニットは、溶接スキャナユニット、制御ユニット、および溶接ユニットを運び、パイプ／パイプセグメントの表面に沿って移動するためのトラックまたはレールを備えることができる。

溶接スキャナユニットは、継ぎ目の内部における自身の位置を識別して、溶接ユニットを案内することができるように、継ぎ目の底部からの選択された距離を検出することができる。次いで、溶接装置は、スキャナユニットの選択された相対的な高さと同期し、溶接先端部をこの相対的な高さ／距離に維持する。

図３は、継ぎ目を、２つのインターフェースするパイプセグメントの表面に沿って継ぎ目４の上方を移動する移動ユニット１９に取り付けられた２つ以上の溶接装置で同時に溶接できることを示している。そのような設備は、２つ（または、３つ以上）の溶接装置が、例えば情報を共有し、それらの制御装置間で指令を交換することによって、それらの間で溶接を協調させることを必要とする。この協調動作は、２つの溶接装置上のスキャナの組み合わせの走査によって、さらに充てんされるべき継ぎ目内の不完全なスポットおよび領域をより良好に識別することができるため、より迅速な溶接および継ぎ目のより完全な封止において有益となり得る。次いで、溶接装置は、組み合わせの動作にてそのようなスポットおよび領域を完全にすることができる。さらに、すべての溶接装置が、継ぎ目の１つの側面またはセクションを担当することができ、溶接の充てんは、側面および／またはセグメントのインターフェースにおいて合流することができる。

２つの溶接ユニットからなる設備を、継ぎ目を溶接し、互いに通信し、この継ぎ目の溶接についてのデータを互いに交換するように２つの溶接ユニットを同時に動作させる単一の制御ユニットによって制御することができる。さらに、そのようなデータは、溶接ユニットの各々によって溶接されるすべてのセクションにおける溶接のパラメータ、ならびに溶接の前、最中、および完了後のすべてのセクションにおける継ぎ目の表面およびバルクの詳細の走査およびマッピングを含むことができる。

図４が、溶接設備をパイプセグメントの表面上で移動させる手段を示している。この場合、２つの溶接設備がそれぞれロボット１９に取り付けられ、レールに沿って移動し、あるいはパイプ１および２の表面に延ばされたチェーンまたはトラック２０によって運ばれる。溶接設備のより詳細な図が、溶接設備の主要な構成要素を示す図６Ａおよび図６Ｂに示されている。溶接先端部で終わる溶接装置８が、設備の下面に、設備の移動経路に対して垂直に配置されている。溶接による完全な封止を確実にするために、パイプのインターフェースする表面の間の継ぎ目へと任意の必要な深さまで導入されるように構成されている。スキャナ７が、溶接先端部の移動経路に先行し、パイプ表面のトポグラフィおよび表面コンテンツを走査してマッピングする。走査およびマッピングデータは、溶接のためにパイプ表面の特定の領域へと溶接先端部をナビゲートするようにコントローラにコマンドを発行するデータプロセッサ（図示せず）に送信される。さらに、データプロセッサは、パイプのインターフェースする表面の表面積の完全なマッピングに鑑みた溶接プランを発行することができる。溶接プランは、溶接装置および先端部をナビゲートし、ロボットを継ぎ目に沿って前進させるためのコントローラのための一連の命令を含むことができる。これらの命令は、現場で収集されるさまざまなパラメータおよびこれらのパラメータに基づく計算に基づくことができる。例えば、溶接材料の量を、表面の特定の局所的なトポグラフィに鑑みて溶接材料をさまざまな領域に分配する前に予め計算することができる。考慮される他の変数は、表面間の継ぎ目のギャップであり、これは、２つのパイプセグメントの相対的な位置およびレベリングの不整合によって生じる可能性がある。このような状況が、図８に図式的に示されている。

溶接プランのいくつかの適用において、スキャナユニットは継ぎ目を事前に走査し、事前の走査から得られたデータをデータ処理ユニットに送信する。事前の走査のデータに基づいて、データ処理ユニットは、溶接の開始前に継ぎ目の表面のマッピングおよび溶接プランを生成する。次いで、制御ユニットが、溶接装置の動作を制御することによって溶接プランを実行する。例えば、制御ユニットは、溶接ユニットに対して、中実かつ連続的な溶接を得るために、継ぎ目の各セクションに必要な量の溶接材料を分配するように指令する。別の実施形態において、スキャナユニットは、最後に溶接されたセクションを走査して、溶接の欠陥を識別する。次いで、スキャナユニットは、走査したデータを処理ユニットに渡し、処理ユニットは、溶接を完全にするように溶接後パスによって溶接プランを更新する。次いで、制御ユニットは、溶接装置に対して、欠陥のセクションまで移動して、溶接プロセスを完了させるように指令する。

図８が、互いのインターフェースにおける２つのパイプまたはパイプセグメントの位置決めおよびレベリングの不整合を図示および例示している。この相対的な位置決めの絶対的な精度は、実際にはほとんど発生せず、パイプ／パイプセグメントの相対的な高さのわずかな違いでさえも、パイプ／パイプセグメントの平行な表面間に生成される継ぎ目の上部領域および底部領域における垂直方向および水平方向の開放ギャップを生じさせる。とくに、パイプ／パイプセグメントの２つのインターフェースする表面の相対的なレベリングの不整合は、継ぎ目の底部に垂直高さの差１１を生じさせ、パイプラインを通る流れの漏れの危険が生じ得る。さらに、継ぎ目の底部におけるパイプの水平方向の相対的な位置ずれ１２も、そのようなレベリングの不整合に起因して生じる可能性があり、やはり漏れを防止するために完全に封止されなければならない（融着の欠如や溶接部の不連続によって溶接が不合格となり、この領域の補修が必要になる）。これを可能にするために、本発明の溶接設備のスキャナ（図８には示されていない）は、継ぎ目の中をその長さおよび幅の全体にわたって移動し、パイプ表面の不一致および不連続を識別する。データはユニットプロセッサに送信され、溶接プランが、溶接装置に対して、先端部１０を識別されたギャップに向かって移動させ、ギャップを溶接材料で封止するように命令する。

２つのパイプの相対的な不整合は、同時に、底部および上部のレベリングの不整合も引き起こし、継ぎ目の上部における垂直方向のギャップ１１の長さは、当然ながら底部における垂直方向のギャップ１１の長さと同一である。さらに、継ぎ目の底部におけるパイプのお互いに対する水平方向のずれ１２は、溝がほぼ常にＵ字形またはＶ字形であることに鑑み、上部における継ぎ目の幅１５の広がりとなって現れる。これらの２つの上部ギャップは、溶接時に、例えば溶接材料が継ぎ目において到達すべき高さまたは完全な封止に必要な材料の量を決定する際に考慮される。

溶接プロセスは、継ぎ目の底部において始まり、エッジに向かって上方へと進む。溶接プロセスの任意の所与の段階において、高さ１４を有するコアが、選択されたレベル１３まで形成される。これらの高さおよびレベルは、溶接装置から継ぎ目へと突出する溶接先端部１０の位置によって決定される。図２を参照して説明したように、溶接装置３は、高さ調整機構１８によって継ぎ目における先端部１０の高さを調整し、溶接プロセスにおいて継ぎ目を上方へと動的に進むことができる。

図７が、溶接の段階およびパイプ／パイプセグメント間の継ぎ目に形成される層の概略図である。層１が、継ぎ目の底部を封止する根元層であり、上部溶接層を重ねるためのベースとして使用される。層２は、溶接の進行につれて現時点において重ねられ、したがって常に高温である層を表す。図７に示されるように、溶接プロセスは、次第に広がるように層を重ねて継ぎ目４を上方に進む。したがって、層２の上方の充てんは、継ぎ目の深さおよび幅、パイプ／パイプセグメントの垂直方向および水平方向の相対的な不整合、ならびにパイプ／パイプセグメントの表面のトポグラフィなどのさまざまなパラメータに応じて、いくつかの層に分割される。これらのパラメータに従って生成することができる溶接プランは、完全な充てんおよび封止のために溶接先端部が継ぎ目の内部で行うべきパスの回数を含むことができる。結果として、そのようなプランは、層の総数、とりわけ層２の上方の充てんにおける層の数も決定する。図７に示されるような上部キャップ層、およびＮに設定される層の総数に鑑みて、層２の上方の充てんにおける層の数は、３－（Ｎ－１）になる。キャップ層は、とくには、溶接された継ぎ目を封止する層であり、パイプ／パイプセグメントの上縁よりも高くなる厚さを有する。これは、溶接が確実であることを保証し、気密な封止、パイプバルクの連続性、およびパイプラインに沿った応力の均一な分布をもたらすために行われる。

図５は、一方のパイプの表面を取り囲むレール（溶接バンド）２０に沿って移動する移動ユニット１９に取り付けられた溶接設備の概略図である。レールは、先端部およびスキャナを含む溶接装置８を、２つのパイプ／パイプセグメントの間の継ぎ目の上方、かつ先端部およびスキャナを継ぎ目へと導入して表面のトポグラフィ、溶接のレベルおよび進行、ならびに溶接を走査することができる位置に位置させる距離において、パイプ上に配置される。溶接装置８は、溶接装置８のスキャナおよび先端部と共に、パイプの周りおよび継ぎ目４の内部を移動ユニットと共に移動する。移動ユニットおよび溶接装置の移動の速度は、溶接の進行の速度に依存する。処理ユニットは、スキャナから受信したデータに基づいて溶接プランを生成し、したがって現時点において溶接されている継ぎ目の任意のセクションの局所特性に応じて溶接の速度を設定することができる。さらに、溶接プランは、溶接されたシームの統合された視点を提供し、溶接内部の細孔、空洞、融着不足、および気泡、局所領域における材料の充てん不足、ならびに上部におけるキャップおよび根元における気密封止の不完全などの欠陥を回避して、中実かつ連続的な全周の溶接を保証することができる。

Claims (36)

1. パイプまたはパイプセグメントを互いに円周溶接するための設備であって、
   溶接スキャナユニットと、
   制御ユニットと、
   少なくとも１つの溶接ユニットと
   を備えており、
   前記溶接スキャナユニットは、前記パイプ／パイプセグメントのインターフェースする表面の間の継ぎ目のコンターおよびトポグラフィを走査し、前記インターフェースする表面のテクスチャおよび幾何学的特性を測定し、前記継ぎ目における異常を走査および検出し、溶接前走査においてパイプの位置および／または向きを最適化し、溶接後走査および検出において異常を警告するように構成され、
   前記制御ユニットは、前記溶接スキャナユニットからの走査データに基づいて継ぎ目のトポグラフィを分析し、前記継ぎ目の溶接の最適化を前記溶接ユニットに指令するように構成されている設備。
2. 前記溶接ユニット、前記制御ユニット、および前記溶接スキャナユニットを運んで移動させるための移動ユニット
   をさらに備える、請求項１に記載の設備。
3. 前記制御ユニットは、前記移動ユニットを制御して動作させる、請求項２に記載の設備。
4. 前記テクスチャおよび幾何学的パラメータは、錆、表面粗度、表面トポグラフィ、継ぎ目の幅および深さ、ならびに前記パイプ／パイプセグメントのお互いに対する整列、位置決め、およびレベリングの不整合を含む、請求項１に記載の設備。
5. 前記整列、位置決め、およびレベリングの不整合は、前記パイプ／パイプセグメントのお互いに対する垂直方向の整列ずれおよび水平方向の位置ずれを含む、請求項４に記載の設備。
6. 前記溶接ユニットは、
   前記パイプ／パイプセグメントの軸線に平行な直線アームと、
   前記直線アームに取り付けられた可動スライドと、
   前記可動スライドを前記直線アームに沿って移動させるためのモータと、
   溶接装置とスキャナとの間の距離を微調整するように構成された調整機構と、
   溶接先端部を備えており、該溶接先端部は、前記継ぎ目の開口に沿って移動し、底部から上部への気密封止のために前記継ぎ目の中へと挿入されるように構成されている溶接装置と、
   前記溶接装置を前記継ぎ目にフィットさせるための高さ調整および制御手段と
   を備える、請求項４に記載の設備。
7. 前記溶接ユニットは、前記溶接先端部の保護およびガスからの遮蔽のための遮蔽装置をさらに備える、請求項６に記載の設備。
8. 前記移動ユニットは、前記溶接スキャナユニット、前記制御ユニット、および前記溶接ユニットの搬送、ならびに前記パイプ／パイプセグメントの表面に沿った移動のために、ロボットをさらに備える、請求項２に記載の設備。
9. 前記溶接ユニットは、前記溶接スキャナユニット、前記制御ユニット、および前記溶接ユニットの搬送、ならびに前記パイプ／パイプセグメントの表面に沿った移動のために、移動ユニットならびにトラックまたはレールをさらに備える、請求項２に記載の設備。
10. 前記溶接ユニットは、ＧＭＡＷ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、パルスＭＩＧ、ＲＭＤ、およびＦＣＡＷから選択される方法で溶接を行うように構成されている、請求項１に記載の設備。
11. 前記制御ユニットは、コントローラおよびデータ処理ユニットを備え、前記データ処理ユニットは、前記継ぎ目、前記パイプ／パイプセグメントのインターフェースする表面、ならびに前記パイプ／パイプセグメントの相対的な位置決め、レベリング、および整列についてのデータを受信し、溶接プランを生成するように構成され、前記コントローラは、前記継ぎ目および表面の走査ならびに前記溶接プランの実行において前記溶接スキャナユニットおよび前記溶接ユニットを制御する、請求項１に記載の設備。
12. 前記制御ユニットは、コントローラおよびデータ処理ユニットを備え、前記データ処理ユニットは、前記走査データを受信し、該データを分析し、局所の溶接が最適な結果に達したかどうかを判断し、溶接材料の不足または過剰の局所的な領域、スポット、または地点を識別し、該領域、スポット、または地点の上方をさらにパスして前記溶接材料の追加または除去によって溶接を完全にするように前記溶接ユニットおよび前記溶接スキャナユニットをリアルタイムでナビゲートするように構成されている、請求項１に記載の設備。
13. 前記溶接スキャナユニットは、前記継ぎ目を事前に走査し、事前の走査から得られたデータを前記データ処理ユニットに送信し、前記データ処理ユニットは、溶接の開始前に前記継ぎ目の表面のマッピングおよび溶接プランを生成する、請求項１１または１２に記載の設備。
14. 前記溶接プランは、前記継ぎ目の底部から上縁へと、根元層、該根元層の上方の第２の層、該第２の層の上方の複数の層、および前記パイプ／パイプセグメントの上縁よりも上方のキャップ層をかぶせる前記パイプ／パイプセグメントの重層による溶接を含む、請求項１１または１３に記載の設備。
15. ２つの溶接ユニットを備えており、該溶接ユニットは、前記制御ユニットによって制御され、該制御ユニットは、前記継ぎ目を溶接し、互いに通信し、前記継ぎ目の溶接についてのデータを互いに交換するように前記溶接ユニットを同時に動作させるように構成されている、請求項１に記載の設備。
16. 前記データは、前記溶接ユニットの各々によって溶接されるすべてのセクションにおける前記溶接のパラメータ、ならびに前記溶接の前、最中、および完了後のすべてのセクションにおける前記継ぎ目の表面およびバルクの詳細の走査およびマッピングを含む、請求項１５に記載の設備。
17. 前記円周溶接は、閉ループ溶接である、請求項１～１６のいずれか一項に記載の設備。
18. 前記閉ループ溶接は、円周溶接、ジグザグ溶接、および横８の字溶接を含む、請求項１７に記載の設備。
19. パイプまたはパイプセグメントを互いに円周溶接するための方法であって、
    溶接スキャナユニットと、制御ユニットと、溶接ユニットとを備える溶接設備を用意するステップと、
    ２つのパイプおよび／またはパイプセグメントを用意するステップと、
    前記パイプおよび／またはパイプセグメントの円筒形の表面を互いに近接させてインターフェースさせるステップと、
    前記パイプおよび／またはパイプセグメントをお互いに対して位置合わせし、整列させ、レベリングするステップと、
    前記パイプおよび／またはパイプセグメントの前記インターフェースさせた表面の間に形成された継ぎ目のコンター、ならびに前記パイプおよび／またはパイププロファイルの前記インターフェースさせた表面のテクスチャおよび幾何学的パラメータを、前記溶接スキャナユニットで走査するステップと、
    前記インターフェースさせた表面のテクスチャおよび幾何学的特性を測定するステップと、
    前記継ぎ目における異常を走査および検出するステップと、
    溶接前走査においてパイプの位置および／または向きを最適化し、溶接後走査において異常について警告するステップと、
    前記溶接ユニットの溶接先端部を前記継ぎ目に導入するステップと、
    溶接材料を前記継ぎ目の底部から該継ぎ目の上縁まで導入することによって前記パイプ／パイプセグメントを互いに溶接するステップと
    を含む方法。
20. 溶接の完了後に前記継ぎ目を事後走査およびマッピングするステップと、
    溶接された継ぎ目の走査およびマッピングデータを処理ユニットに送信するステップと、
    前記継ぎ目における非最適な溶接の場所および／またはスポットを識別するステップと、
    ロボットを前記場所および／またはスポットに移動させるステップと、
    前記場所および／またはスポットにおいて溶接を修正して完全にするステップと
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記非最適な溶接は、不完全な溶接、不足した溶接、欠陥のある溶接、偏った分布の溶接、または過剰な溶接を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記溶接するステップは、
    前記継ぎ目の底部に根元層を重ねるステップと、
    前記根元層の上方に第２の高温層を重ねるステップと、
    第２の層の上方に前記継ぎ目の上縁まで該継ぎ目を充てんする複数の層を重ねるステップと、
    前記継ぎ目の上縁よりも上方にキャップ層を重ねるステップと
    を含む、請求項１９に記載の方法。
23. 前記パイプおよび／またはパイプセグメントのお互いに対する位置、整列、およびレベリングの不整合を検出するステップと、
    前記パイプおよび／またはパイプセグメントの前記インターフェースさせた表面の粗度、トポグラフィ、およびコンテンツを識別するステップと、
    溶接前の検出の場合に前記パイプおよび／またはパイプセグメントをお互いに対して配置し、整列させ、レベリングし、溶接後の検出の場合に前記不整合を警告するステップと
    をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
24. 前記不整合は、前記パイプおよび／またはパイプセグメントのお互いに対する垂直方向の整列ずれおよび水平方向の位置ずれを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記継ぎ目は、Ｕ字形またはＶ字形である、請求項１９に記載の方法。
26. 前記パイプおよび／またはパイプセグメントの相対的な位置、整列、およびレベリング、ならびに前記パイプおよび／またはパイプセグメントの前記インターフェースさせた表面のトポグラフィおよびコンテンツに関するデータを、前記溶接スキャナユニットから前記制御ユニットへと送信するステップと、
    前記データをデータプロセッサにおいて処理し、前記継ぎ目において前記パイプ／パイプセグメントを溶接するための溶接プランを生成するステップと
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
27. 溶接方法は、ＧＭＡＷ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、パルスＭＩＧ、ＲＭＤ、およびＦＣＡＷから選択される、請求項１９に記載の方法。
28. 前記テクスチャおよび幾何学的パラメータは、錆、表面粗度、表面トポグラフィ、継ぎ目の幅および深さ、ならびに前記パイプおよび／またはパイプセグメントのお互いに対する整列、位置決め、およびレベリングの不整合を含む、請求項１９に記載の方法。
29. 前記溶接スキャナユニット、前記制御ユニット、および前記溶接ユニットの搬送、ならびに前記パイプおよび／またはパイプセグメントの表面に沿った移動のためのロボットを用意するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
30. 前記溶接スキャナユニット、前記制御ユニット、および前記溶接ユニットの搬送、ならびに前記パイプおよび／またはパイプセグメントの表面に沿った移動のための移動ユニットならびにトラックまたはレールを用意するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
31. 前記溶接ユニットは、
    前記パイプおよび／またはパイプセグメントの軸線に平行な直線アームと、
    前記直線アームに取り付けられた可動スライドと、
    前記可動スライドを前記直線アームに沿って移動させるためのモータと、
    溶接装置とスキャナとの間の距離を微調整するように構成された調整機構と、
    溶接先端部を備えており、該溶接先端部は、前記継ぎ目の開口に沿って移動し、底部から上部への気密封止のために前記継ぎ目の中へと挿入されるように構成されている溶接装置と、
    前記溶接装置を前記継ぎ目にフィットさせるための高さ調整および制御手段と
    を備える、請求項１９に記載の方法。
32. 前記溶接ユニットは、前記溶接先端部の保護およびガスからの遮蔽のための遮蔽装置をさらに備える、請求項３１に記載の方法。
33. 前記溶接スキャナユニットは、前記継ぎ目の前記底部からの選択された距離を検出するように構成され、前記溶接装置は、前記溶接先端部を前記距離に保つように構成される、請求項３１に記載の方法。
34. 以前の溶接ラウンドまたはパスの走査および溶接関連履歴を記憶するステップと、
    前記履歴を処理ユニットへと読み出すステップと、
    前記履歴を現在の溶接において得られた走査データと比較するステップと、
    前記ラウンドまたはパスの履歴と前記走査データとの間の類似点および相違点を識別するステップと、
    前記履歴と前記走査データとの間の比較に基づいて前記継ぎ目の前記現在の溶接のための溶接プランを作成するステップと
    をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
35. 前記円周溶接は、閉ループ溶接である、請求項１９～３４のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記閉ループ溶接は、円周溶接、ジグザグ溶接、および横８の字溶接を含む、請求項３５に記載の方法。

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