ES2329694T3

ES2329694T3 - Metodo y aparato para unir en frio bridas y elementos de acoplamiento para tuberias.

Info

Publication number: ES2329694T3
Application number: ES05730356T
Authority: ES
Inventors: Hilberg Karoliussen
Original assignee: Quickflange AS
Current assignee: Quickflange AS
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2009-11-30
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: MXPA06010874A; EP1727632B1; CY1109315T1; BRPI0509130A; SI1727632T1; CA2560556C; NO20041215D0; DE602005014547D1; JP5010462B2; CN1956809A; EG24702A; EA200601762A1; US20070199190A1; BRPI0509130B1; ATE431765T1; KR100818682B1; EA009419B1; PL1727632T3; NO338972B1; US20110109082A1

Abstract

Un método para unir un elemento de acoplamiento, por ejemplo, un medio de brida de unión, a una tubería, dicho elemento de acoplamiento rodeando la tubería y teniendo ranuras de frente a la tubería y previsto para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería, caracterizado por los pasos de: - proporcionar dicho elemento de acoplamiento para rodear la tubería en una región de extremo de la misma, - proporcionar una primera y dedicada acción de presionado dirigida de manera radial en la pared interior de la tubería en localizaciones axiales de la tubería correspondientes a la localización de dichas ranuras en el elemento de acoplamiento que la rodea para deformar la tubería en ellas para crear dichos cordones y provocar que dichos cordones estén protegidos en dichas ranuras, y - proporcionar una segunda y dedicada acción de post-presionado dirigida de manera radial en la pared interior de la tubería en las regiones torcidas hacia el interior de la pared de la tubería que de manera natural ocurre entre y adyacente a los cordones creados durante y provocados por la primera acción de presionado, para provocar un post-presionado de dichas regiones en una dirección hacia el exterior, proporcionando de esta manera una tensión hacia el exterior en la tubería en la localización del elemento de acoplamiento.

Description

Método y aparato para unir en frío bridas y elementos de acoplamiento para tuberías.

La invención se refiere a un método y una herramienta para unir un elemento de acoplamiento, por ejemplo, un medio de brida de unión, a una tubería, dicho elemento de acoplamiento rodeando la tubería y teniendo ranuras de frente a la tubería y previstas para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería y un elemento de acoplamiento conectable a una tubería, dicho elemento de acoplamiento configurado para rodear la tubería y tener ranuras de frente a la tubería y para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería, como es definido en el preámbulo de las reivindicaciones 1, 2 y 5.

Bridas de muchos tipos y variedades son usadas de manera extensiva en la industria cuando conexiones tubería-a-tubería o tubería-a-otro componente son proporcionadas. La soldadura de las bridas a las tuberías es el método más común en el caso de las tuberías de acero y metales soldables estándares, mientras que, por ejemplo, las bridas de tornillo son usadas en relación con, por ejemplo, tuberías galvanizadas.

En años recientes un número de métodos han sido desarrollados para la sujeción de los elementos de acoplamiento y la unión de las tuberías mediante la deformación de la tubería en el interior del acoplamiento a fin de asegurarlo. Otros métodos y equipos los cuales sujetan el acoplamiento al exterior de la tubería sin ninguna o con poca deformación de la tubería también han sido desarrollados. Ejemplos de tales métodos son enseñados en US 4.593.448 y US 4.147.385. DE 27 24 257 y US 2.252.274 enseñan herramientas con rodillos los cuales, por medio de un cono giratorio en el centro con rodillos a su alrededor deformarán la tubería de manera que esta ajuste en las ranuras de los elementos de acoplamiento. DE 3144385 enseña un sistema de unión para tuberías donde salientes móviles de manera radial, con la ayuda de la presión hidráulica contra pistones subyacentes, presionan en los cordones. Sin embargo, como es discutido más adelante, la pared de la tubería en el lado de los cordones se torcerá hacia el interior, y cuando los salientes de la herramienta estén retraídos, el mismo cordón en la tubería también será retraído un poco, lo cual hace débil la conexión. Además, habrá un sello metal-a-metal entre la tubería y el elemento de acoplamiento y, por lo tanto, el sistema enseñado en dicho documento requerirá material de sellado en las ranuras del elemento de acoplamiento. Ha sido encontrado que con pistones radiales como es enseñado en DE 3144385 no es posible obtener una fuerza radial especialmente grande, y este principio podría, tal vez, ser usado con tuberías de paredes particularmente delgadas.

Deformar una pared de la tubería hacia las ranuras en un elemento de acoplamiento que la rodea requiere fuerzas muy grandes si la pared de la tubería es presionada hacia el exterior de manera radial. El uso de rodillos como se describió en DE 27 24 257 y US 2.252.274 significa que menos fuerza radial es requerida, pero por otro lado, la herramienta debe ser asegurada a la tubería y, por lo tanto, pasa a ser grande y pesada. El laminado somete al material a tratamientos más rigurosos y también tarda más que el presionado radial.

El objetivo de la invención es proporcionar bridas de unión u otros elementos de acoplamiento para tuberías donde una herramienta es operada solamente de manera radial a fin de que una fijación a la tubería no sea necesaria. Además, es un objetivo obtener una herramienta la cual incluso en conexión con dimensiones de tuberías pequeñas tenga suficiente fuerza para deformar los cordones en las paredes de la tubería relativamente gruesas. También es un objetivo que la herramienta debe funcionar a fin de que el ahusamiento hacia el interior del extremo de la tubería, lo cual ha sido encontrado como un problema en relación con el presionado radial de los cordones, sea evitado.

Los elementos característicos y nuevos del método para unir un elemento de acoplamiento a una tubería aparecen a partir de la reivindicación 1 adjuntada.

Los elementos característicos y nuevos de la herramienta para unir un elemento de acoplamiento a una tubería aparecen a partir de la reivindicación 2 adjuntadas, y otras realizaciones adicionales de la herramienta aparecen a partir de las reivindicaciones dependientes relacionadas 3 y 4.

Los elementos característicos y nuevos del elemento de acoplamiento aparecen a partir de la reivindicación 5 adjuntada, y una característica adicional del mismo aparece a partir de la reivindicación dependiente relacionada 6.

La invención es ahora descrita en más detalle con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos.

La Fig. 1a es una vista lateral de una tubería y un acoplamiento.

La Fig. 1b es una sección A-A de la Fig. 1a sin los cordones creados en la tubería

La Fig.1c es una ampliación de la región circulada B, en la Fig. 1b.

La Fig.1d es una sección A-A modificada de la Fig.1a con los cordones creados en la tubería

La Fig.2a muestra un elemento de acoplamiento modificado con la tubería insertada.

La Fig.2b muestra una sección A-A, de la Fig. 3b.

La Fig. 3a muestra una vista lateral de una tubería, un elemento de acoplamiento y una herramienta insertada en una primera fase operativa antes de la operación de acoplamiento.

La Fig.3b muestra una sección A-A a través del montaje de la tubería, el elemento de acoplamiento y la parte de la herramienta de la Fig. 3a.

La Fig.3c muestra una vista lateral del montaje mostrado en la Fig. 4a en una segunda fase operativa de la herramienta después de que el acoplamiento ha sido hecho así entre la tubería y el elemento de acoplamiento.

La Fig. 3d muestra una sección B-B a través del montaje de la Fig. 4c.

La Fig. 4a es una vista lateral de la herramienta, y la Fig. 5b es una sección A-A de la Fig. 5a.

La Fig. 5a es una vista en perspectiva de la herramienta desde un primer ángulo, y la Fig. 5b es una vista en perspectiva de la herramienta desde un segundo ángulo.

La Fig. 6 es una vista lateral de la herramienta.

La Fig. 7a es una vista lateral de una herramienta modificada, y la Fig. 7b es un elemento de accionamiento de expansión funcional de la herramienta.

La Fig. 8a es una vista lateral de una tubería con una estructura del elemento de acoplamiento modificada, y la Fig. 8b es una sección A-A a través de la realización de la Fig. 8a.

La Fig.9 ilustra el ajuste final de un acoplamiento establecido.

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Las Figs. 1a-1c muestran una tubería 1 y un elemento de acoplamiento 2 antes de que los cordones 5, 6 sean creados. La Fig. 1d muestra lo mismo después de que los cordones 5, 6 son creados en la tubería 1 y han sido presionados hacia las cavidades 3, 4, respectivamente, en el elemento de acoplamiento 2.

Las Figs. 2a y 2b muestran un elemento de acoplamiento 2' ajustado en un tubería 1 y con los cordones 5, 6 presionados hacia su lugar en las cavidades en el elemento de acoplamiento 2'', el elemento de acoplamiento teniendo una brida 2''' para la unión a otro elemento de acoplamiento (no mostrado).

La Fig. 8 muestra una estructura del elemento de acoplamiento 30, con bridas 30', 30'' que son inclinables en relación con la estructura 30 por medio de la movilidad [esférica] sobre la superficie parcialmente esférica del elemento de acoplamiento 30.

El principio de la herramienta es mostrado en las Figs. 4a y 4b, mientras que diferentes aplicaciones de un miembro en forma de cono 20, usado como un amplificador de fuerza mecánica, ajustado en la herramienta, para provocar la expansión del diámetro de la herramienta para crear cordones en la pared de la tubería está mostrado en las Figs. 4-6.

La Fig. 7a. muestra una herramienta con un amplificador de fuerza hidráulico.

Durante el desarrollo del aparato de acuerdo con la invención, el cual comprende tanto una configuración interior del elemento de acoplamiento externo 2, 2' como la herramienta 10 la cual forma los cordones 5, 6, fue descubierto rápidamente que un parámetro más crítico para una unión óptima del elemento de acoplamiento 2, 2' a la tubería se encuentra en la configuración de las partes 11, 11' de la herramienta que presiona los cordones 5, 6 fuera de la tubería y también una parte 14 de la herramienta que sirve para evitar que el extremo de la tubería 1 se ahúse hacia el interior durante la operación de presionado.

Las Figs. 1a-1d muestran que una porción más exterior 2' del elemento de acoplamiento 2 contra la cual el extremo de tubería 1' descansa está abocinado hacia el exterior. Esto es para permitir a la herramienta dar al extremo de la tubería 1' una curvatura hacia fuera, lo cual es necesario, debido a que el extremo de la tubería, como se mencionó, tenderá de otra manera a ahusarse hacia el interior. Por lo tanto, la tubería 1 parecerá casi recta después de que los cordones 5, 6 han sido presionados, como puede ser visto en la sección mostrada en la Fig. 1d.

La misma configuración interior básica de los elementos de acoplamiento se aplicará a un colar o elemento de acoplamiento previsto para bridas sueltas, bridas móviles, como es mostrado en la Fig. 8, y otros tipos las cuales pueden ser adecuadas para un mismo método de sujeción.

Debe ser mencionado que la parte cilíndrica del elemento de acoplamiento 2; 2'' como es mostrado en las Figs. 1, 2 y 3 podrán ventajosamente ser de paredes bastante delgadas. Hasta cierto punto, la pared será entonces elástica y cederá un poco durante la operación de presionado, y esto entonces significará que después de esto está bajo tensión hacia el interior y, por lo tanto, proporciona una presión adicional en la conexión donde la tubería 1 está en tensión hacia el exterior.

Las pruebas de laboratorio llevadas a cabo muestran que un sello mecánicamente bueno es obtenido entre las ranuras 3, 4 y los cordones 5, 6. Sin embargo, puede ser apropiado insertar un material de sellado en una o más de las ranuras.

De acuerdo con las Figs. 4a y 4b, el principio de la herramienta está basado en una pluralidad de segmentos 10, cada uno teniendo salientes del segmento circulares 11 previstas para ser presionadas hacia el interior de la pared de la tubería y de esta manera formar los primeros cordones 5, 6. Hacia el final de la operación de presionado, las partes segmentos del cilindro 13 de cada uno de los segmentos que forman un montaje cilíndrico de los segmentos son presionadas contra el interior de la tubería en las porciones de la misma localizadas de manera lateral en relación con los cordones 5, 6 para evitar que dichas porciones se tuerzan hacia el interior. Este proceso es mostrado en las Figs. 3a-3d, así como en la Fig. 9. Las Figs. 3a y 3b muestran la tubería 1 y el acoplamiento 2, antes de la operación de presionado, y la Fig. 9 es una vista ampliada de una fase intermedia durante el presionado donde las antes mencionadas áreas torcidas hacia el interior 1' de la tubería de manera lateral en relación con los cordones 5, 6 pueden ser vistas. En las Figs. 3c y 3d se observa que las partes cilíndricas 13 de los segmentos 10 han presionado las áreas torcidas hacia el interior 1'' nuevamente hacia el elemento de acoplamiento 2 a fin de que estén casi alineadas con la pared interior de la tubería y su diámetro. Este presionado posterior da un efecto de tensión radial poderoso en el tubería, la cual aumenta la presión de contacto entre el tubería 1 y el elemento de acoplamiento 2, los puntos de sellado entre los cordones 5, 6 y las ranuras 3, 4, y evita la retracción de la tubería 1 como se mencionó anteriormente cuando se hace referencia a los salientes lisos como se describió previamente en, por ejemplo, DE 3144385. Una proyección 14 está localizada en el interior en los segmentos 10, es decir, cerca de una brida del elemento de la herramienta 21, dicha proyección 14 prevista para provocar presión contra el extremo 1''' de la tubería, como es indicado también en la Fig. 9. En una porción correspondiente del elemento de acoplamiento 2, hay una cavidad 15, la cual podría estar hecha en forma de un biselado o un corte. Este corte 15 puede, para algunos usos, ser parcialmente rellenado con material de sellado, o podría tener un anillo O montado en él. Este diseño especial de la herramienta y del elemento de acoplamiento ha sido encontrado necesario, a fin de evitar el ahusamiento o torcedura hacia el interior de la tubería como se mencionó previamente.

Los segmentos 10 y especialmente los salientes 11 están sometidos a tensiones extremadamente grandes durante la operación de presionado y están, por lo tanto, hechos de acero templado. Consecuentemente grandes fuerzas radiales son también requeridas para operar los segmentos 10. Como un ejemplo de ello, el presionado de una conexión entre un elemento de acoplamiento 2 y una tubería de acero 1 con un diámetro exterior de 76 mm y un espesor de pared de 3.2 mm como es mostrado en las Figs. 1d, 2a y 2b, usando ocho segmentos 10 requeriría una fuerza radial por segmento de alrededor de 200 kN, en total una fuerza requerida de alrededor de 1600 kN. Estas son enormes fuerzas dentro de un espacio muy estrecho, y la herramienta de acuerdo con la invención, por lo tanto, usa un actuador de potencia localizado en el exterior de la tubería 1 combinado con un amplificador de fuerza 20 en el interior de la tubería 1.

La Fig. 5a muestra la herramienta con los segmentos 10 y con un cono circular de 20 que actúa como amplificador de fuerza, la Fig. 5b muestra la herramienta con el cono 20 introducido y los segmentos 10 en posición expandida, y la Fig. 6 muestra la misma herramienta con una pirámide poligonal 20' que actúa como amplificador de fuerza.

Las Figs. 7a y 7b muestran una herramienta con segmentos operados de manera hidráulica 22. Un segmento 22 es mostrado de manera separada y se puede observar que el segmento 22 está sujetado a un pistón 27, el cual puede mover un correspondiente cilindro 28 en una carcasa 24, la cual está llena con aceite. Los segmentos 22 tienen salientes del sector circulares 23 para crear los cordones. La herramienta ilustrada tiene un total de ocho pistones 27 y ocho cilindros 28. Cuando una varilla 25 es presionada hacia la carcasa, el aceite en la carcasa 24 presionará los pistones 27 hacia el exterior. Cuanto mayor sea el diámetro del pistón 27 en relación al diámetro de la varilla 25, mayor será la amplificación de la fuerza. La referencia numeral 21 se refiere a una brida unida a la herramienta, la brida teniendo una pluralidad de agujeros de unión 26.

Una unión en frío del elemento de acoplamiento 2 a la tubería 1 de esta manera se diferencia de, por ejemplo, la soldadura, en que al material del acoplamiento no se le da una estructura de superficie modificada. Por lo tanto, la invención es adecuada para acoplamientos, como se muestra en las Figs. 8a y 8b donde un elemento de acoplamiento 30 tiene una superficie exterior que es parte de una superficie esférica, el elemento de acoplamiento 30 siendo sujetado a la tubería 1 y donde una brida de dos partes tiene las partes 30', 30'', las cuales pueden ser unidas entre sí por uniones de acción de tornillo, las dos partes 30', 30'', localizadas a cada lado del elemento de acoplamiento y de frente una con otra. La brida con sus partes de brida 30', 30'' será entonces capaz de ser montada en un ángulo el cual puede ser establecido de manera variable con respecto a la tubería. Las brida con sus partes de brida 30', 30'' será móvil de manera libre, incluso después de atornillar las partes de la brida 30', 30'' juntas, o será tal que está enganchado al elemento de acoplamiento 30 cuando la brida 30', 30'' esté apretada a otra brida (no mostrado).

Claims

1. Un método para unir un elemento de acoplamiento, por ejemplo, un medio de brida de unión, a una tubería, dicho elemento de acoplamiento rodeando la tubería y teniendo ranuras de frente a la tubería y previsto para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería, caracterizado por los pasos de:

-: proporcionar dicho elemento de acoplamiento para rodear la tubería en una región de extremo de la misma,

-: proporcionar una primera y dedicada acción de presionado dirigida de manera radial en la pared interior de la tubería en localizaciones axiales de la tubería correspondientes a la localización de dichas ranuras en el elemento de acoplamiento que la rodea para deformar la tubería en ellas para crear dichos cordones y provocar que dichos cordones estén protegidos en dichas ranuras, y

-: proporcionar una segunda y dedicada acción de post-presionado dirigida de manera radial en la pared interior de la tubería en las regiones torcidas hacia el interior de la pared de la tubería que de manera natural ocurre entre y adyacente a los cordones creados durante y provocados por la primera acción de presionado, para provocar un post-presionado de dichas regiones en una dirección hacia el exterior, proporcionando de esta manera una tensión hacia el exterior en la tubería en la localización del elemento de acoplamiento.

2. Una herramienta para unir un elemento de acoplamiento, por ejemplo, un medio de brida de unión, a una tubería, dicho elemento de acoplamiento previsto para rodear la tubería y teniendo ranuras de frente a la tubería y previsto para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería, caracterizada

-: porque la herramienta tiene una pluralidad de segmentos móviles de manera radial, separados de manera axial (10), cada segmento teniendo una pluralidad de salientes formados en los sectores circulares, dicha pluralidad de segmentos proporcionando de esta manera salientes que se extienden de manera circunferencial (11) capaces de deformar la pared de la tubería mediante una primera acción de presionado en la pared interior de la tubería para crear en el exterior de la tubería los cordones circunferenciales (5, 6) en la pared de la tubería y provocar que dichos cordones (5, 6) se extiendan hacia las correspondientes dichas ranuras (3, 4) en el elemento de acoplamiento, y

-: porque los segmentos tienen porciones que se extienden de manera circunferencial (13) localizadas adyacentes y entre los salientes, dichas porciones (13) en una segunda acción de presionado posterior para provocar el post-presionado de las áreas torcidas hacia el interior que de manera natural ocurre entre y adyacente a los cordones durante la primera acción de presionado, a fin de que una tensión hacia el exterior es obtenida en la tubería en la localización del elemento de acoplamiento.

3. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada

-: porque una parte de los segmentos los cuales están alineados de manera axial con el extremo de la tubería tiene una proyección (14) la cual está configurada para presionar el extremo exterior de la tubería hacia afuera ligeramente más allá que el diámetro correcto de la tubería.

4. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizada

-: porque los segmentos proporcionan un espacio interno en forma cónica o en forma de pirámide poligonal, y

-: porque un cono o pirámide poligonal es localizable de manera interna en y coaxial con los segmentos, dicho cono o pirámide cuando son halados hacia un extremo estrecho de dicha forma provocando que los segmentos se muevan hacia el exterior de manera radial.

5. Un elemento de acoplamiento conectable a una tubería, dicho elemento de acoplamiento configurado para rodear la tubería y tener ranuras de frente a la tubería y para recibir una pluralidad correspondiente de cordones proporcionados en la tubería, para su uso con una herramienta, de acuerdo con las reivindicaciones 2, 3 y 4, caracterizado

-: porque que el elemento de acoplamiento en su porción más importante tiene una cavidad con un diámetro mayor que un diámetro exterior de la tubería, a fin de que cuando los elementos de acoplamiento rodeen la tubería y dicha cavidad esté alineada con el extremo de la tubería, el extremo de la tubería es presionable hacia dicha cavidad a través de una acción de curveado hacia el exterior sobre esta.

6. Un elemento de acoplamiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el elemento de acoplamiento (30) tiene una parte de su superficie exterior en forma esférica para permitir que un dispositivo de brida de dos partes con el espacio interior de la misma configurado para ser sujetado a la superficie del elemento de acoplamiento, con lo cual un eje longitudinal que atraviesa dicho dispositivo de brida de dos partes es ajustable de manera angular con respecto a un eje longitudinal de la tubería.