专利名称：具有磁性夹具的管道测试工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测试管道及容器等上的焊缝的设备，特别地，本发明涉及一 种内部地密封管道的区段以便进行这种测试的设备。本发明还涉及一种密封并测试管道的 设备。
背景技术：
在化工或石化工厂等中，通常需要将流体材料(例如液体)从一个场所输送到另 一个场所。这种材料的输送通常包括比如导管或者管道、储罐或者反应容器等的一些设备， 这些设备通常由金属制成。输送设备的分开部件之间的结合通常由将所需的部件焊接在一 起来实现。例如，当将相邻的管道端部结合在一起时，每个端部通常设有凸缘，所述凸缘焊 接到各相应端部，然后螺栓连接到一起以形成密封。这种凸缘还可设置在储罐或者其他容 器上，以便这些容器能够连接到管道或者其他容器。可替代的，管道或其他设备之间的连接 装置可以直接焊接在一起(即，对接焊)以形成密封。能够理解，在任意一种情形下，每个 焊接接头或者区段必须形成完整的密封以避免输送材料的泄漏。当处理具有潜在危险的材 料——比如易燃的或有毒的液体——时尤其如此。出于安全的原因，有必要定期地测试用于将设备的各个部件(比如，管道、容器、 凸缘等)结合在一起的焊缝的完整性。现有技术提供了各种用于在导管上进行焊缝完整性测试的工具。例如，美国专利 第6，131，441号和第5，844，127号(将其全部公开内容通过参引的方式结合入本文中)揭 示了一种焊缝测试工具，其隔离管道的特定区段(该区段包括焊缝)并在一个由该工具和 管道的内表面限定的受约束的环形空间内使这个区段受高压流体的作用。监测该环形空间 内的流体压力，从而任意的压力降低都表明该焊缝中有泄漏。美国专利第6，463，791号(将其全部公开内容通过参引的方式结合入本文中)揭 示了一种测试用于固定喷嘴的焊缝的设备。如此参考文献的图1所示，该设备包括(例如) 布置在容器的内表面上的第一密封板和固定于喷嘴外凸缘部分的第二密封板。通过这种方 式，喷嘴容积被密封住并且加压流体被引入其中。一旦该容积被填满，如上所述地监测压力 并检测任何泄漏。尽管该设备提供了精确并有效的对喷嘴上的焊缝进行测试的方法，但是 该设备的尺寸和重量使其不便于应用在大型的喷嘴上。此外，申请人的共同待决的美国专利申请第60/640，093号和第60/663，871号 (将其全部公开内容通过参引的方式结合入本文中)提供了一种用于测试管道等上的焊缝 的完整性的工具。需要更容易地密封长管道的一个区段以便进行上述类型的应力测试。另外，需要一种能够在进行这种测试的期间于焊缝上施加轴向应力以模拟“最坏情形”的设备。
发明内容
一方面，本发明大体上提供了一种用于内密封管道的一个区段的设备，其中能够 进行焊缝的完整性测试。另一方面，本发明提供一种能够在密封待测试区段的同时对焊缝进行应力测试的 设备。又一方面，本发明提供一种能够在管道的一个区段上产生轴向应力的设备。另一方面，本发明提供一种用于插入管道内的设备，该设备包括用于接合所述管道的内表面的周向夹具；能固定于所述夹具的密封板，所述板的外径小于所述管道的内径；所述夹具包括一个或多个第一电磁铁，以在所述夹具和所述管道的内表面之间形 成磁性吸力，从而避免所述管道和所述夹具之间的相对运动；用于激励所述磁铁的电源；用于朝所述夹具迫压所述密封板的装置；以及弹性密封构件，其设置在所述板和所述夹具之间，用于在朝所述夹具运动所述板 时在所述设备和所述管道内壁之间形成密封接合。另一方面，本发明提供一种用于磨擦接合管道外表面的设备，包括适于配合在所述管道的外表面上的大致呈环形的夹具；所述夹具包括一个或多个用于与所述管道的表面形成磨擦接合的电磁铁；用于激励所述电磁铁的电源。另一方面，本发明提供一种用于密封管道的一个区段的方法，包括在所述管道内设置一种设备，该设备包括a)磁性激励的夹具；b)密封板；c)位于所述夹具和所述板之间的弹性密封构件，所述密封构件能径向朝外地变 形；激励所述夹具上的磁铁以避免所述夹具和所述管道之间的相对运动；以及，朝所述夹具前移所述板，从而使所述弹性密封构件变形并与所述管道的内表面形 成密封。另一方面，本发明提供一种用于密封管道的内部区段的组件，所述设备包括轴向隔开地设置在所述管道内的一对设备，每个所述设备包括a)用于接合所述管道的内表面的周向夹具；b)能固定于所述夹具的密封板，所述板的外径小于所述管道的内径；C)所述夹具包括一个或多个第一电磁铁，以在所述夹具和所述管道的内表面之间 形成磁性吸力，从而避免所述管道和所述夹具之间的相对运动；d)用于激励所述磁铁的电源；e)用于朝所述夹具迫压所述密封板的装置；以及f)弹性密封构件，其设置在所述板和所述夹具之间，用于在朝所述夹具运动所述板时在所述设备和所述管道内壁之间形成密封接合。
通过以下参照附图进行的详细描述，本发明的这些和其他的特征将会更加明显， 其中图1是本发明设备的一种实施方式的横截面视图。图2是图1中设备的夹具的立体图。图3是图1中夹具的另一实施方式的剖视正视图。图4、4b、5和6是本发明其他实施方式的横截面视图。图7到9是本发明的具有外部夹具的实施方式的横截面视图。
具体实施例方式在本发明的描述中，下列术语将假定具有下列相关的意思“容器”应当被理解为附着有喷嘴的任何设备或装置。因此，术语“容器”将包括容 器本身、管道、圆桶、以及任何其他类似的设备。能够理解，这里使用的术语“容器”只是一 种用于包括所有这些设备或装置的简便方式。术语“环形”用于描述具有至少一个外径和至少一个内径的本体。因此，“环形管” 将被假定为具有内外径的中空管。“环形盘”将被假定为具有外径和中心孔、从而提供了内 径的物体。术语“轴向”将用于描述沿着管道或导管的纵向轴线的方向。因此，“轴向力”或 “轴向应力”将被理解成沿着平行于导管的纵向轴线的方向施加的力。图1揭示了本发明的一个方面，其中示出了用于管道的内密封设备。优选地，密封 设备10的尺寸制造成配合在管道(或管)12的内腔内。设备10包括直径稍微小于管道12 内径的密封板14。该板包括第一面16和第二面18，其中，第二面邻近夹具20。密封板14 的第二面18具有斜切边缘22以容纳0形环M或其他这样的弹性密封装置。夹具20通常包括外径尺寸制造成以便装配在管道12内的环体。夹具20的环形 有利于将其重量减到最小。然而，夹具20还可以包括实心的本体。本领域的普通技术人员 在学习了本文的描述之后能够理解，夹具20的外径优选地稍微小于管道12的内径，以便允 许夹具20的轴向布置。夹具20设置有一个或多个其中布置磁铁观的凹槽或者凹腔沈。 优选地，磁铁28包括可在需要时激励的电磁铁。设置在夹具20上的磁铁28设计成磁性地吸附管道12的壁，众所周知，管道12由 铁类金属形成。磁铁28设计成与管道12的内壁形成强的夹持力，并且从而将夹具锚固在 管道12内的固定轴向位置中。在优选实施方式中，至少两个或更多的磁铁观设置在夹具 20上，其中所述磁铁绕着环形夹具20周向地布置。这种布置用于将夹具20均衡地固定在 管道12内。尽管现在是针对在夹具上设置多个磁铁进行描述，但是在其他实施方式中，还 可以设置一个或多个成型磁铁以便获得所需的夹持力。夹具20可释放地固定于密封板14。在一种实施方式中，夹具设置有一个或多个、 优选是多个螺栓30，所述螺栓30适于插入设置在密封板上的孔31内。螺母32与螺栓30 配合以将密封板14固定于夹具20。能够理解，可以在螺栓30与螺母32之间和/或与密封板14中的孔31之间设置密封装置(未示出)以提供密封，从而避免通过孔31泄漏。图2揭示了夹具20的一种实施方式，其中示出了磁铁28和螺栓30的周向布置。 如上所述，虽然图2所示的夹具20呈环形，但是其还可以包括实心的本体。在任意一种实施 方式中，为了减轻夹具20的重量，夹具20可以由比如铝的轻金属形成。密封板14也可以 由铝形成。然而，能够理解，夹具20和/或密封板14的材料可以从各种其他材料中选择。由图1可知，当螺母32拧紧时，密封板14受迫抵压夹具20的相对面。在该过程 中，弹性密封件对(即，0形环)弹性变形。设置在密封板14上的斜切边缘22使得该变形 径向地向外延展。使用时，首先将设备10插入管道12内。设备10轴向定位在管道12内的期望位 置中。能够理解，可以在定位步骤之前预先组装设备10。即，密封板14可松动地连接到夹 具20。可替代地，密封板14和夹具20可分开地插入管道12内。一旦设备10定位在期望 部位，先使螺栓30插入穿过孔31、再将配合螺母32附着于螺栓30上，从而将密封板14连 接到夹具20 (如果还未组装的话)。如上所述，也可以设置任意其他类型的密封件(比如垫 圈、密封圈等等)以便密封孔31。螺母32的拧紧迫使密封板14抵靠夹具20，并且如上所 述地导致密封件M径向向外变形。从而，迫使密封件M抵靠管道12的内壁，导致在它们 之间形成耐压密封。在拧紧螺母32之前或之后，激励设置在夹具20上的磁铁观以便在磁铁观和管 道12的壁之间形成强的吸力。能够理解，可以选择本发明使用的磁铁，以便提供所需的夹 持力以防止夹具20在管道12内的轴向运动。如上所述，磁铁观优选地包括电磁铁。在这 种情形下，一个或多个电力供应单元(未示出)将连接到磁铁观以对其之进行激励。—旦夹具20固定到管道12并且密封板14固定并密封抵靠夹具20，则可通过气体 或液体对管道12的面向密封板第一面16的内腔进行加压而不会漏过密封板14。图3揭示了具有环形结构的夹具20的另一实施方式，其中设置有向内延伸的凸缘 34以容纳螺栓30。螺栓可以通过焊接等方式永久地附着在凸缘34上(或者夹具20的面 上)，可与凸缘34 —体成型，或者延伸贯穿凸缘34并通过螺母(未示出)固定。图4揭示了应用本发明的密封设备来密封和测试管道。如图所示，一对设备IOa 和IOb设置在管道12内并且定位在将要测试完整性的焊缝36的相对两侧。设备IOa与图 1所示的和以上描述的基本上相同。如上所述，设备IOa包括分别通过螺母3 和螺栓30a 接合于夹具20a的密封板14a。夹具20a包括至少一个磁铁^a，优选地，包括通常周向等 间隔分布的两个或更多的磁铁。通过弹性密封件2 在设备IOa和管道12的内壁之间形 成密封，弹性密封件M可包括0形环。激励磁铁^a以便在期望位置处将夹具固定于管道 12。如上所述，当磁铁的吸力在磁铁和管道12表面之间产生紧密摩擦接合时实现这种固 定。图4的设备IOb与上述的设备IOa类似，并且相似的元件采用相似的参考标号，但 是，为了清楚起见，添加了字母“b”。如图所示，在管道12内，设备IOb定位在焊缝36的与 设备IOa相对的一侧。通过这种方式，两个设备IOa和IOb相结合以便密封住管道12的一 个区段，从而形成一个密封的空间37。在设备IOb的情形下，密封板14b设置有至少一个 流体端口 38，加压流体(即，液体或气体)能够通过该流体端口 38填充到密封空间37内。 在优选实施方式中，如图4所示，设置有两个端口 38，以便一个用于向空间37内填充诸如水，而另一个用于排出空间37内的任何空气。能够理解，能够设置任意数量的端口 38。一 个或多个端口 38优选地连接到压力计或其他相似设备(未示出)以监测产生于空间37内 的压力。本领域的技术人员能够理解，焊缝36的测试包括向管道内部施加恒定的高压并在 一段时间内监控上述压力。任何压力降低都表明焊缝中有泄漏。使用时，对于图4所示的系统，首先包括按照以上方式布置和固定设备IOa和10b。 然后向密封空间37填充加压流体，并且如上所述地监控压力。除了图4所示系统的测试功能之外，还可以理解本发明的其他特征。具体地，通过 在设备IOa和IOb之间形成密封的加压空间37，可以看出施加到焊缝36上的压力还在两个 设备之间提供了一个分离力。然而，因为所述设备被固定或被夹持于管道的内部，这种分离 力还可对焊缝36施加一个轴向力。这样，图4所示的系统同时对焊缝36施加径向力和轴 向力，从而更精确地模拟“最坏情况”的情形以进行焊缝测试。能够理解，这种模拟应力将 提供更精确的测试结果。图4b揭示了图4所示组件的一种变型。在图4b的情形中，设备IOa和IOb基本 上与以上描述的一样，每个分别都包括至少一个设置在管道12内的夹具20a和20b。夹具 20a和20b包括按照如上所述的方式布置的磁铁28a和^b。图4和4b中所示组件的主要 不同之处在于密封板Ha和14b。在图4b的情形中，密封板1 和14b大体呈环形盘的形 状，其中，每个密封板Ha和14b都包括一个大致中心的开口。本领域的技术人员能够理解， 这能够大大减小板Ha和14b的重量、从而利于将该组件用于大直径管道中。此外，图4b中的密封板14a和14b通过在两个板之间延伸的管15结合在一起。 管15的内径优选地大于设置在板14a和14b上的开口的直径。另外，管15的外径小于管 道12的内径。当设备IOa和IOb的组件安装在管道12内时，在两个密封件2 和Mb、管 15的外表面和管道12的内表面之间形成密封的环形空间35。管15还优选地设置有一个 或多个上述端口。在图4b中，示出了两个端口 38和38'。这些端口用于如上述方式填充 环形空间35和/或排出环形空间35内的空气。由图可知，由于管15的存在，空间35的体 积减到最�。虼耍畛涓每占渌璧牧魈逄寤布醯阶钚�。图5揭示了与图4所示的本发明密封设备的应用。在图5所示的示例中，焊缝40 用于将凸缘42固定于管道12的端部。能够理解，管道12可以是如上所述用于输送的管道， 或者可以是设置在容器等上的喷嘴的导管部分。在该示例中，与图1所示基本相同的设备 IOc用于在焊缝40的与凸缘42相对的一侧密封管道12。在图5中，设备IOc与图1中设 备类似的元件采用相似的参考标号，但是，为了清楚起见，添加了字母“C”。定位和密封设备 IOc的方法与前面的描述一样。在该示例中，凸缘42的开口端由板44密封。板44形成有 一系列的圆周间隔的螺栓孔，这些螺栓孔与通常设置在凸缘42的面上的螺栓孔对应。一旦 板44的螺栓孔与凸缘42的螺栓孔对准，螺栓45贯穿插入螺栓孔并通过螺母46固定。如 图5所示，螺母可设置在螺栓45的两端。能够理解，螺栓45的一端可以具有一体成型的或 者焊接的螺栓头，从而避免需要在两端都使用螺母。能够理解，可以在凸缘42的面与板44 的结合处设置任何需要的密封件，比如垫圈等(未示出)。与上文参照图4所述类似，板44设有至少一个端口 38c。端口 38c用于填充凸缘 42和密封设备IOc之间的密封空间37c。如图5所示，密封空间37c包括将凸缘42固定于 管道12端部的焊缝40。
在使用图5所示的系统时，首先以上述方式将密封设备IOc安装在管道12内。然 后将板44安装在凸缘42的外侧面。板44固定于凸缘42，以便在两者之间形成耐压密封。 如上所述，任何所需的垫圈等都能用于这一目的。一旦板44和设备IOc被固定并夹�。� 过一个或多个端口 38c注入加压流体以对空间37c加压。如同上面参照图4进行的描述， 图5所示的设备还用于向焊缝40施加径向以及轴向应力。图6揭示了本发明的另一实施方式，其中，将图1的设备10设置在管道12内。然 而，在这个示例中，管道的外表面设有保持套环48，保持套环48包括具有内径和外径的大 致环形的本体。套环48的内径设有多个周向隔开的磁铁50，这些磁铁50设计成与管道12 的外表面抵接。当套环48定位在与夹具20相同的轴向位置时，套环48的磁铁50与设置 在夹具20上的磁铁28重叠。套环48的磁铁50的电源可与对夹具20的磁铁28提供动力 的电源不同或相同。能够理解，通过图6的实施方式，两组磁铁28和50的磁性吸力的组合将为设备提 供更强的夹持力。换句话说，套环48用于加强夹具20。在另一实施方式中，磁铁观和50 的极性可以调整以便在两者之间形成磁性吸力。通过这种方式，夹具20和套环50的组合 也能够用于非铁类管道——比如由铝或不锈钢等制成的管道。能够理解，在这种情形下，磁 铁观和50将设置有具有足够摩擦系数的管道接触表面，以防止设备在管道12上滑动。类 似地，设置在铁类管道的情形下，也可以在磁铁观和/或50上设置这种摩擦表面。能够理解，套环48可与上述的任何夹具一起使用。图7揭示了用于密封管道一端的本发明的另一实施方式。如图所示，具有开口端 52的管道12设置有适于封闭该开口端的端板M。端板M优选地设有环形沟槽56以便在 其中容纳管道12的端部52。能够理解，沟槽56的宽度尺寸可以大致地制成容纳管道12的 厚度。沟槽56还优选地设有弹性密封构件58，以便在板M和管道12的端部52之间形成 密封。板M的直径比管道12的直径大，以便形成径向延伸锚固凸缘60。在另一实施方 式中，板M的直径可以与管道12的直径相近，但设置有径向延伸的臂以形成与锚固凸缘60 等同的结构。锚固凸缘60设有贯穿通过螺栓64的多个周向隔开的螺栓孔62。在板M的与管 道端部52相对的面上，螺栓64通过螺母66固定。螺栓64的相对端固定于夹持套环68，夹 持套环68包括有绕管道12外表面周向延伸的大致环形的本体。夹持套环68包括面向板 54的径向向外延伸的凸缘70。凸缘70设置有多个螺栓孔72，所述多个螺栓孔72与板M 上的螺栓孔62对应并适用于容纳螺栓64的相对端。凸缘70通过螺母74固定于螺栓64。 在另一实施方式中，能够理解，螺栓64能够焊接在板M或凸缘70上、或与板M或凸缘70 一体成型，从而仅需要使用一组螺母66或74。夹持套环68设有一个或多个绕其内径周向设置并朝向管道12的外表面的磁铁 76。磁铁76设置在设置于套环68本体中的凹槽或凹腔77内。如上所述，磁铁76可优选 地包括耦联到一个或多个电源(未示出)的电磁铁。在优选实施方式中，多个磁铁76绕管 道12的周向大致等距离地设置，以便均勻地分配有关的夹持力。在另一实施方式中，夹持套环68可设置在一个或多个区段中。在操作时，夹持套环68安装在管道12的外表面上。此时，可以激励磁铁76以便在磁铁和铁类管道12之间形成磁性吸力。选择磁铁的强度以便在套环68和管道12之间 形成足够的夹持力，以避免两者之间的相对轴向运动。如上所述，磁铁76可设有摩擦增强 表面以帮助避免套环68和管道12之间的相对轴向运动。一旦夹持套环68固定到管道12表面，安装板M就安装抵靠住开口端52。安装所 述的板以使管道12的端部容纳在沟槽56内。此时，定位螺栓64、并通过螺母66和74固 定螺栓64。能够理解，螺栓的拧紧导致板受迫抵住管道12的开口端52，从而密封管道的端 部。一旦通过板M密封住管道12的端部，则管道的内部可以加压以便进行测试，例 如，测试设置在管道上的任意焊缝。在又一实施方式中，如图8所示，图7中所示的板可设有端口 39，所述端口 39与图 5中以元件标号38c标示的端口类似。能够理解，图8所示的设备能够用于向管道12内部 加压，以便在其中施加径向和轴向应力。通过这种方式，可以采用图8的设备来测试管道上 的位于端部52下游的焊缝，而不用将测试设备局限在焊缝的区域处。还能理解，图8中的 设备能够与其他设备结合地使用，比如，与图1或5的密封设备10或IOc结合地使用，从而 为了测试目的而隔离出管道的一个区段。图9揭示了图7和8中的设备的又一实施方式，其中，类似元件以类似参考标记标 示。相似但不同的元件以相似参考标记标示，但为了清楚起见，添加了字母“d”。由图可知， 在图9的实施方式中，夹持套环68d不包括任何用于接合管道12壁的磁铁。在图9的示例 中，夹持套环68d设置在通过配合的径向延伸凸缘78结合在一起的两个或更多个区段内。 每个凸缘78设有贯穿通过螺栓的螺栓孔80。设置在凸缘78相对两侧上的螺母用于将所述 凸缘固定在一起。图9中的夹持套环68d的尺寸制成为使得所述凸缘78的彼此张紧形成 与管道12外表面的强磨擦接合。这种机械夹具的更详细的描述揭示在本申请人的共同待 决的美国专利申请第60/663,871号中，在此将其全部内容通过参引的方式结合入本文中。能够理解，以上使用的几何学术语——比如环形、圆盘、周向等——是为了便于参 考。然而，这些术语不应该被解释为将本发明限制于任何特定形状的喷嘴或管道，并且，对 本领域的技术人员来说，对设备进行各种变型以适应任何形状或设计都是显而易见的。虽然本发明是参照特定实施方式进行描述的，但是对本领域的技术人员而言，在 不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情形下，各种变型都是显而易见的。 通过参引的方式将以上引用的所有现有技术的公开内容的全部都结合入本文中。
权利要求
1. 一种用于磨擦接合管道的外表面以及用于密封所述管道的端部的设备，所述设备包括适于配合在所述管道的外表面上的大致呈环形的夹具；所述设备进一步包括能固定于所述夹具的密封板，所述板包括用于密封接合所述管道 的端部的装置，其中，所述夹具包括能够连接在一起的两个或更多个部分，所述部分中的每一个包括 至少一个凸缘，其中，当所述设备使用时，所述凸缘在径向远离所述管道的方向延伸，并且 相邻部分的凸缘彼此相对；所述夹具进一步包括用于将相对的凸缘迫压在一起的装置，由此使所述夹具紧紧抵靠所述管道的外表面从 而在两者之间形成摩擦接合，所述摩擦接合足以防止所述夹具与所述管道之间的相对轴向 运动；以及用于迫压所述密封板抵靠所述管道的端部的装置，在所述管道的外部，所述用于迫压 密封板的装置连接到所述密封板和夹具，并且所述用于迫压密封板的装置能够操作以在轴 向上朝向所述夹具促动所述密封板并且使所述密封板抵靠所述管道的端部。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述用于将相对的凸缘迫压在一起的装置包括多 个第一螺栓和相关联的螺母，所述第一螺栓延伸穿过设置在所述凸缘中的相对的螺栓孔。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述用于迫压密封板的装置包括多个第二螺栓和 相关联的螺母，所述第二螺栓在所述密封板与所述夹具之间轴向延伸，其中，当使用时，所 述螺母的拧紧将所述密封板朝向所述夹具迫压，并且所述密封板受迫抵住所述管道的端 部。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述密封板和所述夹具包括轴向向外延伸的部分， 所述部分具有多个螺栓孔，所述第二螺栓延伸穿过所述多个螺栓孔。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述多个轴向延伸的螺栓在所述管道上沿周向间 隔开。
全文摘要
一种用于密封管道内部的一个区段的设备，包括夹具和能固定于夹具的密封板，该夹具具有磁性接合装置以便将该夹具轴向定位在管道内部并避免该夹具与该管道相对轴向运动。该密封板抵压夹具的运动引起弹性密封元件的变形，从而在该设备和管道之间形成密封。该设备能够与另一个反向设置的设备或其它密封装置结合以便在该管道内形成密封空间。该密封空间内的压力允许向该管道的密封区段施加径向力和/或轴向力。
文档编号G01M3/28GK102135219SQ201010599520
公开日2011年7月27日 申请日期2006年10月6日 优先权日2005年10月6日
发明者格兰·卡尔森 申请人:卡-博投资有限公司
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