Особенности изготовления и контроля резьбы на трубах нефтяного сортамента

УДК 669.15.018

В.Н.АНАНЧЕНКО, И.К.ЦЫБРИЙ, В.В.МОРГУНОВ

ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ РЕЗЬБЫ НА ТРУБАХ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА

В статье рассмотрены вопросы формирования характеристик качества и направления повышения качества резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. Ключевые слова: трубы нефтегазового сортамента, технология производства, неразрушающий контроль качества.

Введение. Освоение новых запасов нефти и газа влечет за собой увеличение глубин и усложнение профилей скважин, ужесточение условий эксплуатации труб. Интервал рабочих температур от -60 до 150-200°С, знакопеременные нагрузки, коррозия под напряжением в среде сероводорода предполагают, что трубы для добычи нефти и газа должны обладать повышенной прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостному и хрупкому разрушению.

Для предотвращения смятия колонн при бурении скважин во всем мире широко применяются высокопрочные обсадные трубы, стойкие к внешнему сминающему давлению. К ним, например, можно отнести трубы производства ОАО ТМК, стойкие к коллапсу, диаметром 250,8 мм с толщиной стенки 15,88 мм, различных категорий прочности, в том числе высокопрочных категорий «М» и «Р». Высокая стойкость обсадных труб к смятию обеспечивается за счет применения специальных марок сталей, обеспечения точности геометрических параметров труб.

Изготовление обсадных и насосно-компрессорных труб на предприятиях Российской Федерации осуществляется по ГОСТ 632-80, ГОСТ 633-80

[1-3], а также по международным стандартам АР1 (Американская трубная компания), в которых регламентируются требования к материалу и геометрии труб, категория прочности материала, виды и методы испытаний.

Тем не менее, анализ аварийности трубных колонн на нефтяных скважинах за последние десятилетия показывает, что, несмотря на широкое применение новых типов труб, общее число отказов и распределение их по видам не изменилось, и в настоящее время, как и в прошедшие 30 лет, основной причиной аварий на нефтяных скважинах является выход из строя труб нефтяного сортамента, причем, как показано на рис.1, до 50% всех отказов с колоннами труб нефтяного сортамента происходит по причине негер-метичности резьбового соединения трубы и муфты.

В связи с вышесказанным в статье рассмотрены вопросы формиро-

48

Рис.1. Распределение причин разрушения труб нефтяного сортамента: 1 - разрушение резьбового соединения - 50%, 2 - разрушение тела трубы - 12%, 3 -разрушение тела муфты - 11%, 4 - прочие

- 27%

вания характеристик качества труб нефтяного сортамента на разных стадиях их изготовления и возможные факторы, влияющие на конечное качество труб. Особое внимание при этом уделено процессу изготовления резьбы, неотъемлемой частью которого является контроль геометрических параметров.

Номенклатура резьбовых соединений труб нефтяного сортамента.

В настоящее время в конструкции резьбовых соединений используется широкая номенклатура конических резьб как треугольного, так и трапецие-дального профиля, размеры которых регламентируются соответствующими стандартами [4]. Наряду с этим при технологически сложном горизонтальном бурении, при больших углах искривления, морском бурении, бурении геотермальных скважин, при вращении обсадных колонн во время спуска применяются новые резьбовые соединения класса «Премиум» для бесшовных труб: ТМК^ и ТМК-FMT, разработанные с учетом обеспечения повышенной герметичности и высокой сопротивляемости резьбового соединения растягивающим и изгибающим нагрузкам [5, 6].

Рис.2. Высокогерметичное муфтовое соединение обсадных труб класса «Премиум» ТМК-GF

Например, профиль резьбы ТМК^, используемой в соединениях обсадных труб (рис.2), имеет вид неравнобедренной трапеции с отрицательным углом по опорной грани и положительным углом по закладной грани. Закладная сторона, воспринимающая нагрузку в момент посадки трубы в муфту, а также работающая на сжатие, обеспечивает легкую сборку трубы с муфтой и предупреждает заедание резьбы. Опорная сторона профиля, воспринимающая нагрузку на растяжение, имеет угол минус 4°, что исключает возможность выхода резьбы трубы из зацепления с резьбой муфты. Сопряжение профилей трубы и муфты осуществляется по внутреннему диаметру резьбы трубы, что улучшает свинчиваемость и износостойкость соединения, а также позволяет снизить величину радиального натяга в резьбе по сравнению с конструкциями резьб, имеющих положительный угол закладной грани. Герметичность резьбового соединения обеспечивается наличием в конструкции герметизирующего узла «металл - металл».

Усложнение геометрии резьбовых соединений предполагает повышенное внимание к условиям формирования качества в процессе резьбона-резания.

Условия обеспечения качества труб перед нарезанием резьбы. Согласно действующим стандартам весь трубный металлопрокат нефтяного сортамента подвержен ряду контрольных испытаний. Данные испытания включают в себя виды контроля, как предусмотренного нормативной документацией (ГОСТы, технические условия, спецификации), так и дополнительные испытания для отдельных видов продукции [7-9].

В частности, контроль качества трубного металлопроката перед нарезанием резьбы предусматривает следующие испытания:

- контроль марки стали и механических характеристик труб;

- контроль наружной и внутренней поверхности труб;

- контроль геометрических параметров труб.

При проведении контроля марки стали материал трубы подвергается химическому и спектральному анализу. В ходе этих проверок также определяется массовая доля серы и фосфора в составе металла.

Проверке внешнего вида, массы, величины дефектов и геометрических размеров подвергается каждая труба и каждая муфта партии. Для проверки механических свойств отбирается по одной трубе и одной муфтовой заготовке каждого размера от каждой плавки.

Контролю неразрушающим методом на наличие продольных или продольных и поперечных дефектов в зависимости от требований нормативной документации должна быть подвергнута каждая труба по всей длине перед нарезанием резьбы. В рамках контроля наружной и внутренней поверхности труб проводится визуальный осмотр отсутствия на наружной и внутренней поверхности труб и муфт плен, раковин, закатов, расслоений, трещин и песочин. Для обнаружения дефектов материала трубы применяются методы неразрушающего контроля: ультразвуковая или магнитоиндукционная дефектоскопии.

При контроле геометрических параметров с помощью универсальных измерительных средств проводятся измерения длины трубы, толщины ее стенки, диаметра, кривизны всей трубы, а также кривизны концов трубы. Основным условием обеспечения качества на данном этапе является недопущение попадания на операцию резьбонарезания труб, имеющих ненадлежащие механические характеристики, поверхностные и подповерхностные дефекты материала, нарушения геометрии (разностенность, овальность, искривления концов трубы и др.).

Условия обеспечения качества в процессе нарезания резьбы. Нарезание резьбы является самой ответственной операцией при изготовлении труб и муфт нефтяного сортамента. Качество резьбового соединения определяется, в первую очередь, состоянием системы "станок - приспособление - инструмент - деталь".

Погрешности в протекании кинематического процесса резьбона-резания могут сочетаться с ошибкам инструмента и его установки, геометрическими ошибками станка и установки заготовки [10]. Совокупность этих ошибок порождает неточности формы и размеров параметров профиля резьбы. Эти неточности формы и размеров вызывают неравномерное распределение нагрузки на боковых поверхностях профиля и, как следствие, приводят к нарушению герметичности резьбового соединения. Отступление геометрических форм от теоретически заданных очертаний вызывается обстоятельствами, присущими методу нарезания, или же возникает в результате проявления ряда технологических причин. Источниками отступлений технологического характера являются:

- геометрические и кинематические неточности станка;

- неточности изготовления, установки и износ резьбонарезного инструмента на станке;

- погрешности базирования заготовки;

- неточности в настройке и наладке всей технологической оснастки;

- состояние оборудования.

Совместное действие всех перечисленных выше неточностей вызывает нарушение геометрии профиля резьбы, что впоследствии при свинчивании трубы с муфтой вызывает ухудшение эксплуатационных характеристик качества резьбового сопряжения. Это связано прежде всего с тем, что в отличие от обычных резьб резьбы нефтяного сортамента имеют жестко оговоренные геометрические параметры.

Для нарезания резьбы используется твердосплавной резьбонарезной инструмент как отечественного, так и импортного производства, который перед установкой на станок проходит 100%-ный контроль геометрических параметров. Правильность установки инструмента при нарезании резьбы является серьёзным фактором, определяющим её качество. При обработке на оборудовании с ЧПУ инструмент настраивается вне станка на специализированных оптических приборах. Данные, полученные в результате настройки инструмента, вносятся в корректор системы ЧПУ станка. Точность установки инструмента в резцедержателе обеспечивается его конструкцией и конструкцией инструментальной оснастки.

Необходимо сказать, что при неправильной установке на оборудовании годного инструмента качество нарезанной резьбы не будет отвечать техническим требованиям. Необходимо обеспечить правильность расположения режущей кромки относительно оси изделия, а также правильность ориентации инструмента относительно вертикальной оси.

Снижение качества резьбы может происходить также из-за необоснованного увеличения числа проходов, несмотря на ошибочно кажущееся облегчение работы станка и инструмента. При достижении величины припуска сотых долей миллиметра толщина срезаемой стружки становится сопоставимой с радиусом скругления режущей кромки инструмента. При этом происходит резание с большими отрицательными значениями переднего угла, т.е. происходит пластическая деформация взамен резания. Возрастание поперечных сил ведет к появлению вибраций, вызывающих быстрый выход из строя инструмента и снижение качества обрабатываемой поверхности.

Следует также отметить, что главным критерием износа резьбообрабатывающего инструмента является его размерный износ, т.е. несоответствие нарезанной резьбы техническим требованиям, поэтому для изготовления качественной резьбы требуется менять резьбовой инструмент, не дожидаясь его физического износа.

Все вышеуказанные технологические условия получения качественной резьбы должны сопровождаться соответствующими контрольными операциями, подтверждающими соответствие параметров резьбового соединения требованиям нормативной документации.

Контроль качества резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. Согласно действующим стандартам контролю подлежат: внешний вид резьбы, натяг резьбы по резьбовому рабочему калибру, геометрические параметры резьбы, для которых установлены допуски и предельные отклонения (длина резьбы, высота профиля резьбы, шаг резьбы, конусность резьбы, соосность резьб в муфте т.д.) [11, 12].

Контроль и измерение геометрических параметров резьбовых соединений требует несколько десятков замеров, выполняемых как с помощью калибров, так и с использованием универсальных измерительных приборов.

Промышленностью выпускаются все необходимые виды калибров, предназначенных для контроля линейных величин деталей, а также калибров для контроля отклонений размеров допусков широкого спектра резьбовых соединений. Однако следует отметить, что с помощью калибров затруднительно производить объективный контроль геометрии резьбы. Фактически с помощью калибров контролируется только один виток с наибольшим относительным диаметром резьбы трубы (или с наименьшим относительным диаметром резьбы муфты).

Для поэлементного контроля и измерения параметров резьбы используется широкая гамма ручных измерительных средств и приборов, выпускаемых зарубежными ^адетакег, А1епдадеп) и российскими (НиИиз-мерения, Челябинский инструментальный завод) фирмами. Это в основном индикаторные приборы, реже приборы со шкалой или цифровой индикацией.

Универсальность конструкций современных приборов, комплектация их разнообразными наборами сменных модулей позволяет собирать и гибко перенастраивать различные варианты исполнения прибора для контроля труб и муфт различных типоразмеров и конструкций соединений.

В то же время мониторирование процессов контроля показывает, что на каждую контрольную операцию затрачивается от 3 до 15 минут. Причем, при необходимости проведения исследований в лабораторных условиях время контроля за счет сопутствующих операций (отрезка конца трубы, передача его в лабораторию, изготовление слепка и т.д.) увеличивается до нескольких часов. Поэтому полный комплекс контрольных и измерительных операций, обеспечивающий всю предписанную стандартами информацию о состоянии резьбы, требует значительных затрат времени даже при высокой квалификации контролеров. Поэтому актуальными являются разработка и использование средств неразрушающего контроля, позволяющих:

- контролировать большое число геометрических параметров резьбы различных типоразмеров изделий на одной измерительной позиции без изменения условий базирования;

- использовать единственную измерительную головку вместо нескольких специализированных ручных измерительных приборов;

- повышать достоверность и повторяемость результатов по сравнению с ручными методами;

- иметь высокую производительность контроля.

Выводы. Проведенный анализ производства бесшовных труб и муфт с высокогерметичными резьбовыми соединениями позволяет заключить следующее:

- качество резьбовых соединений определяется как условиями изготовления труб и нарезания резьбы, так и комплексом сопутствующих контрольно-измерительных операций;

- общая изогнутость трубы, изогнутость концов трубы, возможные неустраненные негативные последствия предшествующей термообработки, недостаточный контроль дефектов на концах трубы, а также износ режущего инструмента могут приводить к некачественному изготовлению резьбы, что требует повышенного внимания к оперативному контролю качества.

Достоинствами существующих методов и средств измерений являются их полное соответствие требованиям стандартов и предоставление достоверной информации о качестве обработанных труб и муфт.

К их недостаткам следует отнести значительную трудоемкость подготовки средств измерений к работе с использованием установочных мер и настроечных приспособлений, относительную длительность выполнений измерительных процедур и субъективные ошибки при проведении ручных измерений. Эти недостатки могут быть устранены одним из двух способов:

- увеличением в несколько раз штата контролеров, лаборантов и парка контрольно-измерительного оборудования с целью организации параллельно-последовательного выполнения контрольно-измерительных операций со специализацией каждого контролера на измерении одного - двух параметров;

- наряду с использованием стандартных методов и средств контроля применением в технологическом процессе пооперационной диагностики качества с использованием современных методов и средств неразрушающего.

Наиболее целесообразным представляется второй вариант решения проблемы, поскольку такое средство измерения, установленное непосредственно у обрабатывающего оборудования, позволит существенно сократить длительность прохождения информации по цепи обратной связи: "изделие - наладчик/резчик", обеспечить 100%-ный контроль геометрии резьбы и оперативно влиять на ход технологического процесса обработки изделий.

Библиографический список

1. ГОСТ 632 - 80. Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия

2. ГОСТ 633 - 80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия.

3. Требования к резьбе, калибровке и контролю резьб обсадных, насосно-компрессорных и трубопроводных труб. Стандарт технических требований API 5B.

4. ГОСТ Р 51906-2002. Соединения резьбовые обсадных, насоснокомпрессорных труб и трубопроводов и резьбовые калибры для них. Общие технические требования.

5. Емельянов А. Новые виды труб нефтяного сортамента. / А.Еме-льянов, С.Рекин. // Нефтегазовая Вертикаль. - 2006. - №6.

6. Каталог резьбовых соединений труб нефтяного сортамента ОАО "Трубная металлургическая компания" [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http:// www .tmk-group.com.

7. Злобин В.П. Автоматическая система мониторинга как основной элемент СМК при контроле труб нефтяного сортамента. / В.П.Злобин // Методы менеджмента качества. - 2006. - №6.

8. Стасовский Ю. Системный подход к обеспечению конкурентоспособности труб. [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://ugmk.info/art/1144839616/1.html.

9. Технологические схемы отделки бесшовных труб. [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://promnikopol.ru/index.php?name=news.

10. Твердосплавный резьбонарезной инструмент для нарезания резьбы на трубах и муфтах по ГОСТ 633-80 [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http: //www. reztec .ru.

11. Кершенбаум В. Российские стандарты на обсадные и насоснокомпрессорные трубы безнадежно устарели / В. Кершенбаум, В. Аванесов, М. Поликарпов. // Нефтегазовая вертикаль. - 2009. - №5.

12. Щербюк Н.Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. / Н.Д. Щербюк, Н.В. Якубовский. - М.: Недра, 1974.

Материал поступил в редакцию 22.05.09. V.N.ANANCHENCO, I.C.TSIBRY, V.V.MORGUNOV

FEATURES OF MANUFACTURING AND THE CONTROL OF CARVING ON PIPES OF THE OIL ASSORTMENT

In article questions of formation of characteristics of quality and a direction of improvement of quality of carving connections of pipes of an oil assortment are considered

АНАНЧЕНКО Владимир Николаевич (р. 1938), профессор, заведующий кафедрой "Приборостроение" ДГТУ. Окончил РИСХМ (1961). Основные направления научных исследований - разработка систем управления и контроля качества для автоматизированного производства. Автор более 100 публикаций.

ЦЫБРИЙ Ирина Константиновна, доцент кафедры "Приборостроение" ДГТУ. Окончила РИСХМ (1973). Основные направления научных исследований - магнитные свойства и методы исследований ферромагнитных металлов и сплавов. Автор более 100 публикаций.

МОРГУНОВ Вадим Васильевич (р. 1965), начальник лаборатории отделки ЦЗЛ ООО ТАГМЕТ. Окончил Московский станкоинструментальный институт (1988 г.). Основные направления научных исследований - теория и практика металлообработки.

irconst@mail.ru