УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ 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 ультразвуковой обработки, а конкретно - 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 понимается муфта или ниппельный конец трубы, 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 сопряжен также с необходимостью замены муфт с изношенной резьбой, т.к. последняя не подлежит перенарезке.
Восстановление резьбовых элементов указанным путем не учитывает особенностей функции распределения фактической площади контакта, напряжений и износа по длине резьбового элемента, что не использует резервов возможного увеличения его срока службы.
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 ультразвуковой обработки резьбовых элементов труб 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, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении, систему охлаждения преобразователя, включающую проточный бачек ультразвуковой головки и систему циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости через зону обработки (RU 2092291).
Существенные потери точности наружного конуса резьбы в процессах ультразвуковой обработки трубных изделий определяются отклонением от соосности первоначальной установки соединения - ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого резьбового элемента.
Используемая в RU 2092291 система охлаждения преобразователя выполнена отдельной, независимой от системы циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости, включающей локальную ванну, что удорожает и усложняет обслуживание устройства, а также не обеспечивает необходимой вариации степени охлаждения преобразователя. Это может приводить к
перегреву, снижению эффективности и преждевременному выходу из строя устройства.
Из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности первичной установки соединения, что сопровождается потерей симметрии сил реакции подвески и снижением точности ультразвуковой обработки резьбового элемента.
Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в сужении диапазона отклонений от соосности инструмента ультразвуковой головки и обрабатываемого резьбового элемента, повышении точности обработки и надежности устройства с увеличением норматива длительности непрерывной его работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве ультразвуковой обработки резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащем станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую систему ее охлаждения, 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, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении, систему охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью, 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, расположенной в другом сечении, отстоящем от первого не менее, чем на диаметр головки, а система проточного жидкостного охлаждения ультразвуковой головки выполнена в
виде проточной ветви, содержащей бачек ультразвуковой головки, и подключенной к цепи циркуляционной системы охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью.
Предпочтительно, система охлаждения преобразователя смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в сериес к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в общей напорной магистрали циркуляционной системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью, что обеспечивает более эффективную и стабильную работу устройства.
Наиболее предпочтительно, система охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в шунт к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в напорной магистрали шунтовой ветви системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью.
Система охлаждения зоны обработки и система охлаждения ультразвуковой головки могут быть выполнены, как циркуляционными, так и проточными на слив.
Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
Для обеспечения работы с различными трубами резьбовой рабочий инструмент, ответный восстанавливаемому резьбовому элементу, может быть выполнен с возможностью как навинчивания на восстанавливаемый резьбовой элемент, так и ввинчивания в восстанавливаемый резьбовой элемент.
Сменный резонансный волновод может быть выполнен трубчатым, в этом случае предпочтительно выполнение его соединения с концентратором резьбовым.
Могут быть использованы различные резонансные 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 шпилек.
Соединение сменного резонансного волновода с концентратором может иметь различное выполнение, например, в виде фланцевого соединения, посредством резьбовой крепежной детали, в виде фланцевого соединения и дополнительно посредством резьбовой крепежной детали. При этом резьбовая крепежная деталь может быть выполнена, например, в виде шпильки или винта.
Указанное стяжное 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.
Сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом может иметь различную конструкцию, например:
- в виде плашки с внутренней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси,
- в виде плашки с внутренней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы и имеющими
левовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°,
- в виде метчика с наружной рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси,
- в виде метчика с наружной рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы и имеющими правовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°.
Установка каретки на станине может быть подвижной, при этом 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.
Для обеспечения качественной работы устройства каретка может содержать ограничители вращения ультразвуковой головки по датчику-регулятору давления в магистрали гидромотора привода механизма вращения трубы вокруг продольной оси и/или ограничители вращения ультразвуковой головки по бесконтактным датчикам-регистраторам углового положения ультразвуковой головки в каретке.
Электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде магнитнострикционного преобразователя, в виде стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя, например, Ланжевеновского типа.
Возможно различное выполнение 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.
Датчики позиционирования в механизме вращения трубы вокруг продольной оси контролируют положение ультразвуковой колебательной системы относительно станины и могут быть выполнены 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 с помощью резьбовой крепежной детали, например, с помощью шпильки, в некоторых случаях соединение электроакустического преобразователя и концентратора может быть выполнено резьбовым.
Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет снизить дисперсию 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 наружного конуса 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 необходимой 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, которые симметрично расположены относительно вертикали, проходящей через продольную ось головки.
В первой группе не менее трех пружин соединены с корпусом ультразвуковой головки на периферии ее поперечного сечения, расположенного на участке от торца корпуса, снабженного фланцем и обращенного к узлу зажима изделия, до центра масс головки включительно. Во второй группе не менее, чем одна пружина расположена в другом сечении - у противоположного конца ультразвуковой 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 в другом сечении, 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 из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, роликового механизма вращательно-поступательного перемещения труб, ультразвуковой головки, имеющей корпус и размещенной в каретке,
установленной на станине, системы подвески ультразвуковой головки, узла позиционирования трубы в продольном направлении и датчика линейных перемещений. Каретка установлена на опорах и имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. В корпусе-бачке проточного жидкостного охлаждения ультразвуковой головки закреплена колебательная система, включающая электроакустический преобразователь, с обмоткой, подключаемой к ультразвуковому генератору (например, мод. УЗГЗ-4), концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном четвертьволновом участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. Как указано выше, электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение. В случае использования электроакустического преобразователя ПМС-15А-18 соединение может быть осуществлено с помощью резьбовой крепежной детали, например, с помощью шпильки. Ультразвуковой генератор имеет стабилизатор амплитуды ультразвуковых колебаний и блок автоматического поддержания резонанса.
Предлагаемое устройство может быть снабжено, по отдельности и вместе, датчиком момента свинчивания по давлению в магистрали гидромотора механизма вращения трубы в составе узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси; датчиком торца трубы, расположенным, например, в зоне устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки труб в зону обработки их резьбового элемента в составе узла позиционирования трубы в продольном направлении; датчиком торца трубы, выполненным, например, в виде устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки труб в зону обработки их резьбового элемента в составе узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, которые повышают точность аттестации ниппеля и снижают вероятность перебраковки изделий.
Кроме того, устройство может включать вместе или по отдельности узел контроля качества резьбовых участков по комплексным показателям «натяг гладкого калибра», «натяг резьбового калибра» и по параметру «рабочая высота профиля», который включает ультразвуковой рабочий инструмент, используемый в качестве контролирующего калибра, датчик линейных перемещений, контролирующий положение инструмента в рабочей зоне в направлении оси обрабатываемого резьбового участка; установленный между ультразвуковым рабочим инструментом и торцом резьбового участка трубы разделительный элемент, выполненный по меньшей мере с двумя измерительными плоскопараллельными поверхностями и средством перемещения разделительного элемента, обеспечивающим возможность его установки в рабочей зоне между обращенными друг к другу торцами рабочего инструмента и обрабатываемого резьбового участка и удаления его из этой зоны.
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 трубный ручной двустороннего действия, закрепляемый на корпусе ультразвуковой головки, водило приводного механизма относительного вращения резьбовых элементов, а также бесконтактный 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.
Трубу с обрабатываемым резьбовым элементом, например муфтовым, подводят посредством механизма подачи резьбовых элементов труб к ультразвуковой головке, навинчивают на обрабатывающий трубный резьбовой элемент, при этом в локальную ванну корпуса головки обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Возможно как вращательное перемещение ультразвуковой головки при неподвижной трубе
с обрабатываемым резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.
При замедлении относительного вращения в конце навинчивания, например, по сигналу крутильного акселерометра, установленного на корпусе головки, включают обработку резьбы ультразвуковыми колебаниями, подключая преобразователь к ультразвуковому генератору со стабилизатором амплитуды ультразвуковых колебаний, например, на уровне 5±2 мкм, и блоком автоматического поддержания резонанса, при этом частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для тона собственных колебаний трубы, ближайшего к основному тону собственных колебаний обрабатываемой муфты (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из выбранных критериев оптимизации режимов обработки. При этом, продолжая свинчивать резьбовые элементы, выполняют совмещенную обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием и ультразвуковыми колебаниями, что обеспечивает очистку, поверхностное пластическое деформирование, восстанавливающее профиль резьбы, поверхностное упрочнение и химическую пассивацию резьбы. Соосность первичной установки по вершинам резьбового элемента инструмента вместе с ультразвуковой колебательной системой, обеспечиваемая предлагаемой конструкцией системы подвески ультразвуковой головки, позволяет проводить обработку резьбы с повышенной точностью. Навинчивание обрабатываемого резьбового элемента прерывают, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов, при достижении нормированной величины крутящего момента сопротивления, затем переходят к отвинчиванию обрабатываемого резьбового элемента. Начало отвинчивания облегчается присутствием ультразвуковых колебаний и, дополнительно, радиальными деформациями обрабатывающего резьбового элемента при приложении крутящего момента отвинчивания при наличии спиральных пазов на инструменте.
Чередование навинчивания и отвинчивания прерывают при достижении минимально необходимого по нормативам натяга, затем снова, при необходимости, переходят к навинчиванию. Операции проводят в один или более проходов до фиксации датчиком линейных перемещений достижения осевого натяга, соответствующего аттестации обрабатываемого резьбового элемента годным по калибру, после чего отвинчивание продолжают до разъединения резьбовых элементов и вращение прекращают окончательно.
Использование в устройстве вышеописанной системы охлаждения преобразователя значительно облегчает обслуживание устройства, а также обеспечивает возможность регулирования степени охлаждения преобразователя. Это снижает вероятность перегрева и увеличивает наработку на отказ устройства в 2 раза.