УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И/ИЛИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Полезная модель может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, как на ремонтных базах, так и в полевых условиях. Полезная модель предназначена для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб, например, бурильных, обсадных и насосно-компрессорных и др., в процессе подготовки к эксплуатации, технического обслуживания и поддержания в надлежащем состоянии резьбовых элементов во время спуско-подъемных операций в процессе бурения и эксплуатации нефтегазовых и других скважин и т.п. Под резьбовыми элементами понимаются муфтовый конец безмуфтовой трубы, участок замка трубы с замковой внутренней резьбой, муфты насосно-компрессорной трубы, ниппельный, или подмуфтовый участок трубы с трубной резьбой, различные элементы конической резьбы, такие как вершина, вставная фронтальная грань, нагрузочная тыльная грань, соответственно, головки или ножки профиля резьбы трубы и т.п.
Известно восстановление труб, бывших в эксплуатации, обновлением резьбовых элементов путем перенарезки резьбового профиля (SU 1563884). Однако восстановление перенарезкой часто сопряжено с отрезкой участков трубы, что ведет к повышению удельного расхода металла труб на тонну добываемой продукции. Повышенный удельный расход металла может быть сопряжен также с необходимостью замены муфт с изношенной резьбой, т.к. последняя часто не подлежит перенарезке.
Восстановление резьбовых элементов указанным путем не учитывает особенностей распределения фактической площади контакта, напряжений и износа по длине резьбового элемента.
Известно устройство, реализующее способ безабразивной полировки поверхностей, способствующей увеличению фактической площади контакта
и упрочнению поверхностей, содержащее ультразвуковую колебательную систему продольно-крутильных колебаний, состоящую из магнитострикционного преобразователя, волновода со спиральными пазами и сменным элементом на торце (SU 546463).
К недостаткам известного устройства относится то, что оно не может быть использовано для усовершенствования технологии по восстановлению резьбовых соединений в связи с заклиниванием таких инструментов в конических соединениях.
Наиболее близким является устройство для восстановления и/или упрочнения резьбы на трубных заготовках для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси и систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении, выполненный в виде упора, и узел контроля качества резьбового элемента, включающий датчик линейных перемещений инструмента относительно станины и, косвенно, относительно обрабатываемой резьбы (RU 2191097).
Возможность непосредственной оценки текущего промежуточного фактического положения торца рабочего резьбового инструмента относительно торца резьбы в известном устройстве не предусмотрена.
Недостатком известного устройства-прототипа является то, что из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности ультразвуковой головки, включающей инструмент, относительно обрабатываемого резьбового элемента, что приводит к потере симметрии сил реакции
подвески и снижению точности ультразвуковой обработки резьбового элемента. Кроме того, в связи с недостатками метода оценки текущего промежуточного фактического расстояния от торца резьбового элемента до торца рабочего инструмента, известное устройство не обеспечивает достаточную точность оперативной аттестации резьбового элемента, что повышает вероятность перебраковки изделий.
Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.
Технический результат - сужение диапазона отклонений от соосности инструмента ультразвуковой головки и обрабатываемого муфтового резьбового элемента, и снижение доли ошибочно перебракованных резьбовых элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащем станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси и систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении посредством убирающегося упора, узел контроля качества резьбового элемента. При этом, система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной расположено в другом поперечном сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр ультразвуковой головки, а узел контроля качества резьбового элемента и упор включают разделительный элемент, выполненный, по меньшей мере, с двумя параллельными измерительными поверхностями устанавливаемый в
зоне обработки между резьбовым рабочим инструментом, используемым в качестве калибра, и торцом обрабатываемого резьбового элемента, а также средство перемещения разделительного элемента, обеспечивающее возможность его установки в рабочей зоне между обращенными друг к другу торцами резьбового рабочего инструмента и обрабатываемого резьбового элемента, и удаления его из этой зоны.
Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
Могут быть использованы различные концентраторы, отличающиеся как по количеству элементов с различным профилем продольного сечения (простой, составной), так и по количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно-, двух- и т.д. ступенчатый). Предпочтительно выполнение концентратора одноступенчатым стержневым или двухступенчатым составным стержневым. В последнем случае соединение ступеней двухступенчатого составного стержневого концентратора, имеющих узловые фланцы, может быть выполнено с помощью резьбовых крепежных деталей, например, шпилек.
Соединение сменного резонансного волновода с концентратором может иметь различное выполнение, например, в виде фланцевого соединения торцов, посредством резьбовой крепежной детали, в виде узлового фланцевого соединения. Указанное фланцевое соединение может быть выполнено в виде байонетного замка с пружинным поджимом замка к узловому фланцу концентратора или в виде байонетного замка с жестким поджимом замка шпильками к узловому фланцу концентратора.
Каретка может быть выполнена подвижной относительно станины. Привод каретки может быть выполнен электрическим с червячным механизмом осевой подачи, с реечным механизмом осевой подачи или с червячным и реечным механизмом осевой подачи.
Кроме того, привод каретки может быть выполнен в виде гидроцилиндра подачи.
Электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде магнитнострикционного преобразователя, в виде стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя, например, Ланжевеновского типа.
Возможно различное исполнение узла зажима и вращения трубы вокруг продольной оси:
- в виде передней бабки токарного станка,
- с приводом в виде асинхронного двигателя.
- с приводом в виде гидромотора.
- с механизмом зажима в виде кулачкового механизма с гидроцилиндром.
Возможно использование датчиков позиционирования в механизме вращения трубы вокруг продольной оси, контролирующих положение ультразвуковой колебательной системы относительно станины, выполненных в виде электромагнитных бесконтактных выключателей с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных выключателей с реакцией на стальные объекты, которые размещены на каретке.
Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение, в частности, спайкой или резьбой.
Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет сузить диапазон отклонений от соосности ультразвуковой колебательной системы по отношению к обрабатываемому резьбовому элементу трубы, по сравнению с прототипом в 2 и более раза, что неизбежно приводит к снижению потерь симметрии сил реакции подвески и повышению точности ультразвукового воздействия на участки обрабатываемого резьбового элемента.
Наиболее предпочтительной является система подвески ультразвуковой головки, содержащая не менее трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, который проходит через ее центр масс. В этом случае достигается большая надежность поддержания практически идеальной соосности даже при использовании трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения.
Практически система подвески ультразвуковой головки содержит две группы пружин, в первой из которых они по углу равнорасположенны по периферии одного ее поперечного сечения относительно продольной оси головки, расположенного на участке от торца корпуса, снабженного фланцем и обращенного к узлу зажима изделия, до центра масс головки включительно (и проходящего, предпочтительно, через ее центр масс). Во второй группе не менее, чем одна пружина расположена у противоположного конца ультразвуковой головки на расстоянии от первого сечения, не меньшем диаметра корпуса головки, при этом корпус ультразвуковой головки установлен параллельно направлению излучения ультразвуковой колебательной системы и соосно обрабатываемому резьбовому элементу.
Увеличение количества пружин, как сверх трех по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, так и сверх одной, расположенной, предпочтительно, в другом поперечном сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр ультразвуковой головки, повышает надежность обеспечения соосности даже при размещении пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, не проходящего через ее центр масс. Количество пружин определяется в каждом конкретном случае в зависимости от линейных размеров, массы и особенностей конструкции элементов ультразвуковой головки и прочих узлов, входящих в устройство, с учетом
обеспечения удобства обслуживания и минимальной металлоемкости устройства.
Предлагаемое устройство имеет типичную принципиальную схему, например, приведенную в патентах RU 2191097 и RU 2092291 и состоит станины, на которой установлены узел зажима изделия и его вращения вокруг оси и узел обработки, который содержит расположенную в каретке ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь с обмоткой, подключаемый к ультразвуковому генератору, например, мод. УЗГЗ-4, концентратор и рабочий ультразвуковой резьбовой инструмент, обращенный заходом в резьбу к узлу зажима и вращения, плавающую систему пружинной подвески корпуса ультразвуковой головки, размещенную в подвижно установленной на станине каретке. Электроакустический преобразователь и рабочий ультразвуковой резьбовой инструмент могут иметь различное соединение. Ультразвуковой генератор имеет стабилизатор амплитуды ультразвуковых колебаний и блок автоматического поддержания резонанса. Ультразвуковая головка содержит локальную ванну, уплотняющуюся по внешней поверхности обрабатываемого резьбового элемента. Каретка установлена имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. Рабочий ультразвуковой инструмент выполнен с возможностью навинчивания своим коническим резьбовым элементом, на конический резьбовой элемент трубы. Крепление ультразвуковой головки с рабочим инструментом к каретке производится с помощью четырех пружин сжатия. Из них три равнорасположены по углу и соединены с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения. Одна пружина расположена в другом поперечном сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр ультразвуковой головки.
На станине установлен узел позиционирования трубы в продольном направлении, включающий убирающийся упор с разделительным элементом, имеющим взаимно параллельные измерительные плоскости и средство его
перемещения временно в зону обработки и от нее, с возможностью упругого смещения упора вдоль продольной оси и его самоустановки по плоскости торца обрабатываемого резьбового элемента. Разделительный элемент имеет точки контакта, лежащие в параллельных измерительных плоскостях. Одна из этих плоскостей базируется на торце резьбового элемента, а другая - на торце инструмента. Благодаря такой установке разделительного элемента и жесткой связи баз отсчета для двух измерений координат торцов точность контроля качества обработки по показателям натяга резьбы по калибрам существенно повышается.
Держатель разделительного элемента, обеспечивающий возможность установки разделительного элемента в рабочей зоне между обращенными друг к другу торцами рабочего инструмента и обрабатываемого резьбового участка и удаления его из этой зоны, выполнен в виде кронштейна, имеющего продольные пазы, в которых установлен подпружиненный пружиной палец, смонтированный на разделительном элементе. Кронштейн выполнен поворотным вокруг оси, смещенной от оси обрабатываемого резьбового участка в сторону поворота кронштейна при его удалении из рабочей зоны.
Средство перемещения разделительного элемента включает силовой цилиндр, при этом кронштейн соединен со штоком силового цилиндра посредством оси, установленной в концевой части штока и проходящей через паз кронштейна.
Участок кронштейна, в котором выполнен паз, помещен в прорезь концевой части штока, выполненной перпендикулярно крепящей оси, причем паз имеет длину, а прорезь глубину, достаточные для поворота кронштейна в рабочем диапазоне.
На разделительном элементе установлены центраторы-ограничители со стороны торца инструмента и со стороны торца обрабатываемого резьбового участка.
Центр тяжести разделительного элемента может быть смещен от оси пальца на величину, обеспечивающую самопроизвольный поворот разделительного элемента вокруг упомянутой оси под действием силы тяжести при ее горизонтальном расположении.
Пружина ориентирует опорные плоскости разделительного элемента по оси подпружиненного пальца в угловое положение, обеспечивающее беспрепятственное базирование по торцам резьбового участка и инструмента при их поджатии друг к другу.
Положение инструмента в рабочей зоне в направлении оси обрабатываемого резьбового участка контролируется датчиком линейных перемещений, подвижный подпружиненный измерительный шток которого установлен с возможностью взаимодействия с опорной площадкой, а шкала связана со станиной установки.
Для работы устройства в полевых условиях в сочетании со спуско-подъемными операциями над трубными колоннами в общую схему дополнительно включаются следующие элементы: элеватор подъемно-транспортного механизма, ключ двустороннего действия, закрепляемый на корпусе ультразвуковой головки, водило приводного механизма относительного вращения резьбовых элементов, а также выключатель в качестве счетчика оборотов водила и акустический изолятор полуволновый с узловым опорным фланцем соответствующий регулируемой частоте ультразвуковых колебаний.
Работа устройства может осуществляться следующим образом.
Указанной обработке предшествует проведение ряда действий, аналогичных отдельным этапам заявленного способа, с использованием при этом контрольного образца или эталонного резьбового элемента вместо обрабатываемого концевого конического резьбового участка трубы.
При проведении таких действий используют ультразвуковой конический резьбовой инструмент, который впоследствии будет использован в процессе ультразвуковой обработки резьбового участка изделия.
Перед навинчиванием инструмента на эталонный резьбовой участок в рабочую зону между торцами резьбового участка и инструмента помещают разделительный элемент, самоустанавливающийся по торцу резьбового участка, имеющий рабочие поверхности в форме параллельных измерительных плоскостей для взаимодействия, соответственно, с торцами инструмента и эталонного резьбового участка.
Торец эталонного резьбового элемента приводят в контакт с рабочей поверхностью разделительного элемента и фиксируют эталонный резьбовой элемент в узле зажима и вращения. Перемещают инструмент в сторону резьбового элемента до момента поджатия торца инструмента к торцу резьбового элемента через разделительный элемент.
В поджатом состоянии с помощью датчика линейных перемещений измеряют положение инструмента относительно неподвижной шкалы датчика в направлении оси эталонного резьбового элемента, после чего разделительный элемент удаляют из рабочей зоны. Сообщают эталонному резьбовому элементу вращение и перемещают инструмент до соприкосновения с торцом резьбового элемента.
Ввинчивают инструмент и эталонный резьбовой элемент друг в друга и измеряют положение торца инструмента относительно шкалы датчика.
В исходном положении установки каретка находится в крайнем удаленном от узла зажима и вращения трубы положении, при этом шток силового цилиндра привода упора с установленным на нем разделительным элементом находится в крайнем нижнем положении.
Работа установки ультразвуковой обработки резьбовых элементов изделия, и способ, реализуемый в этой установке, осуществляются следующим образом.
Предварительно шток силового цилиндра привода упора переводят в крайнее верхнее положение, в результате чего разделительный элемент занимает положение в рабочей зоне между торцами резьбового элемента и
инструмента по всей их ширине и не ниже оси инструмента, что снижает вероятность перекосов и ошибок измерения натягов.
Затем, например, с помощью рольганга, резьбовой элемент трубы подают в зону обработки. При соприкосновении торца резьбового элемента трубы с измерительной плоскостью разделительного элемента поступательное перемещение трубы прекращается, и она зажимается в узле вращения.
После зажима трубы в узле вращения осевое положение торца трубы в направлении продольной оси жестко связывается со шкалой статора датчика линейных перемещений и не меняется в процессе обработки и измерений. При этом торцы всех резьбовых элементов, останавливаемых по упору, роль которого выполняет разделительный элемент, привязываются к одной и той же базе отсчета по единой шкале, что важно для точности.
Силовой пневмоцилиндр привода подачи каретки сообщает каретке поступательное перемещение. В результате движения каретки рабочий инструмент перемещается в сторону зафиксированного резьбового элемента до момента заданного датчиком каретки упругого поджатия торца инструмента к торцу резьбового элемента через разделительный элемент. Разделительный элемент при этом может перемещаться вдоль продольной оси по пазу кронштейна. В случае, когда резьбовой элемент трубы сместится в направлении от разделительного элемента прежде зажима трубы, пружина в составе упора возвратит разделительный элемент до соприкосновения с резьбовым элементом.
В поджатом состоянии упора с помощью датчика линейных перемещений измеряют положение рабочего инструмента относительно неподвижной шкалы датчика в направлении продольной оси обрабатываемого резьбового элемента. Это положение определяется расстоянием от торца инструмента до опорной площадки, жестко связанной с инструментом и выбранной в качестве измерительной плоскости головки и
этого инструмента. Затем силовым пневмоцилиндром привода упора удаляют разделительный элемент из зоны обработки.
Трубе сообщают вращательное движение. Одновременно перемещают инструмент в сторону резьбового элемента до соприкосновения с его резьбой и осуществляют взаимное ввинчивание резьбового инструмента и резьбового элемента трубы, при этом в зону обработки, например, в локальную ванну обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Измеряют текущее положение инструмента относительно шкалы датчика. Принципиально возможно как вращение ультразвуковой головки при неподвижной трубе с обрабатываемым резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.
Осуществляют контроль за соответствием реальных значений натягов резьбового элемента трубы по калибрам нормативным. Для этого сравнивают расстояние между измеренными положениями инструмента в состоянии, поджатом к торцу резьбового элемента трубы через разделительный элемент и в навинченном состоянии с аналогичным расстоянием, полученным при аналогичных измерениях в отношении эталонного резьбового элемента.
В результате сравнения судят о натяге контролируемого резьбового элемента и его годности или о пригодности для последующей обработки.
Если труба признается пригодной, то ее оставляют в установке и резьбовой элемент подвергают ультразвуковой обработке. При этом инструмент и резьбовой элемент остаются в свинченном состоянии плотной стяжки.
Включают ультразвуковой генератор, при этом электроакустический преобразователь начинает совершать колебания с ультразвуковой частотой, которые концентратором могут увеличиваться по амплитуде и сообщаются рабочему резьбовому инструменту, в результате чего происходит восстановительная, корректирующая профиль резьбы и/или упрочняющая ультразвуковая обработка резьбового элемента Операцию проводят в один или более проходов ввинчивания вплоть до регистрации достижения
допустимых значений показателей натягов по калибрам, после чего ввинчивание прекращают окончательно.
В процессе обработки контролируют натяг обрабатываемой резьбы путем измерения положений инструмента, свинченного с резьбовым элементом изделия, и в случае, если натяг обрабатываемой резьбы подходит к границе поля допусков по натягам, то процесс ультразвуковой обработки такой резьбы прекращают.
Амплитуда ультразвуковых колебаний составляет 5±2 мкм. Частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для частоты одного из тонов собственных колебаний изделия с обрабатываемой резьбой (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из желаемой интенсивности ультразвукового воздействия и допустимого износа инструмента. Ввинчивание чередуют с вывинчиванием на 1-2 оборота.
Узел контроля качества резьбового элемента, объединяющий базы контроля сравниваемых размеров, позволяет повысить точность оперативной аттестации резьбы, снизить долю перебраковки, а с этим и общее количество брака на 3-5%.