РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ

РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ
Полезная модель касается производства труб и может быть использована для герметизации резьбовых соединений любых труб, в том числе используемых при строительстве нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, а также при формировании трубных колонн и трубопроводов.
Конструктивные и технологические зазоры в резьбовых соединениях обсадных труб под воздействием избыточного внутреннего или наружного давления приводят к нарушению герметичности соединений и проницаемости их для среды. Для снижения проницаемости применяют различные заполнит,ег-,, ли конструктивных и технологических зазоров. Заполнители одновременно выполняют функцию смазок, предупреждающих заедание трущихся поверхностей при свинчивании резьбовых соединений.
Наиболее распространены заполнители в виде различных смазок на жировой или полимеризующейся основе.
Смазки на жировой основе представляют собой смесь металлического и графитового порошков, равномерно распределенных в жировой основе, составляющей 3О-4Овес.% (см. изобретения по патентам РФ №2136722 от 24.08.98г., кл. СЮМ 129/02; №2032712 от 27.03.90г., кл. С10М 169/04; №2032714 от 27.03.90г., кл. СЮМ 173/00; и заявку на изобретение №95109583 от 07.Об.95г., кл. F16J 15/00).
Однако исследования в лабораторных и реальных условиях показали, что использование смазок на жировой основе не гарантирует требуемую герметичность соединений. Объясняется это следующим. Смазки должны иметь низкую вязкость
F 16L 15/04; 17/00
в момент свинчивания резьбовых соединений и высокую вязкость при нагружении соединения избыточным давлением. При недостаточной вязкости смазка вымывается рабочей средой при повышенных температурах и давлении, что приводит к разгерметизации соединения. Противоречивость подобных требований к свойствам смазки затрудняет разработку качественных герметизирующих смазок на жировой основе.
Смазки на полимеризующихся основах в большей степени удовлетворяют требованиям герметизации (см. заявку на изобретение №93041784 от 20.08.93г., кл. С09К 3/10). Подобные герметики, как правило, состоят из эпоксидного компаунда, отвердителя и наполнителя. В качестве твердых компонентов используются графитовый порошок, свинцовый порошок, цинковая пыль и медная пудра. В качестве наполнителя известен металлон, в указанном выше герметике в качестве наполнителя использован мелкодисперсный фторопластовый материал (политетрафторэтилен).
Резьбовые соединения с такой смазкой практически не разъемны, однако это создает технологические сложности при развинчивании подобных соединений в процессе профилактики (необходим нагрев до ) . Введение в состав герметика политетрафторэтилена несколько снижает трение при свинчивании резьбовых соединений.
К общим недостаткам смазок на полимеризующихся основах относится необходимость подготовки поверхности резьбы (очистку и обезжиривание), токсичность, невозможность автоматизации и пр. , что затрудняет работу в полевых условиях.
Известны также резьбовые соединения, поверхность которых покрыта металлами и сплавами для получения физикохимических и механических свойств, отличных от исходного (металлизируемого) материала. В качестве покрытия применяют алюминий, медь, свинец, цинк, хром, серебро, золото, бронзу, латунь и пр. (см. например, патенты на изобретение №2049150 от 05.03.94г., кл. С23 С 10/60 и №2162928 от 25.12.98г., кл. Е21В 17/08, F16L 15/00). В современной практике широко применяется гальванический метод нанесения металла на резьбу обсадных труб.
Резьбовые соединения труб с герметизирующими покрытиями из металла очень дороги из-за дорогостоящей технологии нанесения металлических покрытий. Кроме того это не исключает применения уплотнительных смазок на жировой или полимеризующейся основе.
Известны также резьбовые соединения с уплотнительным материалом в виде фторопластовых лент, которыми обматывают резьбу труб перед навинчиванием на нее муфты ( см, заявки на изобретения Рф № 93010518 от 01.03.93г., кл. Е21В 17/08 и №93041784 от 20.08.93г., кл. С09К 3/10). В первом случае лента выполнена из конденсаторной пленки на основе политетрафторэтилена. Процедура уплотнения заключается в обинтовывании охватываемого элемента по резьбовой поверхности с обтяжкой витков по профилю резьбы.
Наиболее близким решением к предлагаемому можно считать резьбовое соединение, приведенное в патенте на изобретение №2156911 от 21.12.98г., кл. F16L 13/007. Согласно этому патенту конечные граничные зоны резьбовых участков содержат композиционные покрытия в виде смеси металлов с керамическими материалами. Эти смеси наносят газодинамическим напылением. Перед напылением производят подготовку соответствующих поверхностей путем газодинамической бомбардировки порошком более высокой твердости, чем твердость обрабатываемой поверхности.
Данная конструкция не обеспечивает должной степени герметизации, т.к.порошки металлов или их смеси с керамическими материалами не обладают пластичностью, текучестью, под давлением и имеют высокий коэффициент трения. Кроме того для получения такого соединения требуется наличия сложного оборудования, что затрудняет его применение в полевых условиях.
Задача предлагаемого решения - повышение качества резьбовых соединений, а также упрощение технологического процесса герметизации.
Для решения поставленной задачи в резьбовом соединении труб, содержащем охватывающий и охватываемый элементы с соответственно внутренним и наружным резьбовыми участками, а также герметизирующий слой между ними, герметизирующий слой выполнен в виде нанесенной на резьбовые участки методом порошкового напыления в электростатическом поле композиции графита и сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП) в соотношении, масс.ч.: сополимер 90-95, графит 5-10.
Толщина напыляемого слоя составляет от 20 до 150 мкм.
Использование предлагаемого герметизирующего слоя в резьбовом соединении способствует повышению качества и срока службы изделия в диапазоне температур от -100 до +250 С.
Сополимер тетрафторэтилена (ТФЭ) с графитовым порошком (ГФП) в чистом виде (100%) обладает высокой теплостойкостью и физико-механическими свойствами (прочность, относительное удлинение),однако при низких и повышенных температурах сополимер при монтаже прорезается и стягивается с острых кромок, оголяя металл, не обладает хладотекучестью (пластичностью), имеет повьш1енный коэффициент трения (Ктр)и вследствие этого не гарантирует надежное уплотнение.
Добавка мягкого пластичного наполнителя-графита в количестве 5-15% приводит к появлению пластичности сополимера, т.е. способности «течь под действием напряжений, возникающих в резьбовых соединениях при монтаже, снижает Ктр, что способствует эффективному заполнению межрезьбового пространства и обеспечению герметичности соединения труб.
При увеличении содержания наполнителя (более 15%), наблюдается существенное снижение физико-механических свойств композиции (прочность, относительное удлинение), вследствие чего материал начинает крошиться и в процессе монтажа удаляться из межрезьбового пространства. При этом повторный монтаж соединения не обеспечивает достаточную герметичность соединения.
Использование метода порошкового напыления электростатическим способом позволяет обрабатывать резьбовые соединения в производственных условиях и поставлять трубы в поле уже подготовленными.
Предлагаемая композиция может быть получена следующим образом.
В просеянный на сито 025 (размер ячеек 250х250мкм) порошок сополимера ТФЭ-ГФП вводят наполнитель (графит или др.) и тщательно перемешивают на смесителе типа Хеншель с числом оборотов 2000-ЗОООоб/мин.
Сополимер ТФЭ-ГФП и наполнители (графит, нитрид бора
а-модификации, тальк) выпускаются в промышленном масштабе.
Приготовленную композицию загружают в бункер установки напыления в электростатическом поле типа УЭНП или любого другого типа, в которой обеспечивается зарядка порошка композиции и его транспортировка в электростатическом поле высокого напряжения (ираб.15-100кВ, 1раб.50-100мКа). Заряженные частицы композиции осаждаются на заземленной детали (внутренней 1 поверхности резьбового соединения) плотным слоем, после чего деталь помещается в электропечь, где при 300-350 °С происходит оплавление порошковой композиции с образованием блестящего покрытия 2 (черного или белого цвета, в зависимости от применяемого наполнителя), прочно соединенного с металлом, что обеспечивает надежность металла и герметизации.
Поверхность деталей 1 перед напылением обезжиривается в растворе кальцинированной соды или других растворах щелочного обезжиривания типа КМ-1, КМ-2.
Метод электростатического напыления порошков по сравнению с газодинамическим имеет следующие преимущества:
-низкая энергоемкость (100-500Вт) по сравнению с десятками КВт для газодинамического способа;
-бесшумность метода (газодинамический метод основан на использовании высоких звуковых и сверхзвуковых скоростей газов);
-газодинамический способ практически непригоден для напыления полимеров, т.к. порошки полимеров имеют малую массу и придать им достаточно высокие энергии невозможно. Такой метод более пригоден для напыления металлических, керамических порошков, что использовано в способе-прототипе .
В таком виде трубы доставляются к месту монтажа. Таким образом в полевых условиях не нужно производить никаких дополнительных операций по герметизации, так как они уже были сделаны в производственных условиях на автоматизированном оборудовании.
При свинчивании резьбовых соединений 1 и 3 труб герметизирующее покрытие 2 сохраняется и может быть использовано многократно.
Таким образом достигается надежное герметичное соединение. Трубы можно собирать в полевых условиях, при любых температурных режимах. Предлагаемый способ существенно повышает качество герметизации и упрощает операции по его осуществлению.
Предлагаемая конструкция может быть использована для резьбовых соединений труб, а также соединений труб через муфты.