СОЕДИНЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ ОБСАДНЫХ ИЛИ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CONNECTION OF CORROSION-RESISTANT CASING OR LIFTING PIPES AND METHOD OF CONNECTION FABRICATION

Предложение относится к буровой технике, точнее к насосно-компрессорным и обсадным трубам, преимущественно изготовленным из легированных хромом коррозионностойких (нержавеющих) сталей, используемым в геологоразведочных, нефтяных или газовых скважинах с коррозионно-активной средой.
В буровой технике, среди прочих, существуют две важнейшие проблемы: обеспечение надежности и герметичности резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб (далее - НКТ), а также повышение износостойкости или долговечности, этих соединений по числу циклов свинчивание-развинчивание (далее - износостойкости). Критериями долговечности являются как степень износа соединения, так и его герметичность.
Далее термином «соединение» или «трубное соединение» будет называться разборный узел, содержащий элемент с наружной резьбой, например трубу или переходник, называемый далее «ниппелем», и элемент с внутренней резьбой, например муфту или переходник, далее называемый «муфтой».
Термином «сопрягаемые поверхности» будут называться поверхности ниппеля и муфты, находящиеся в свинченном соединении в непосредственном контакте: резьбовые, уплотнительные и упорные.
Для обеспечения герметичности соединения большое значение имеет состояние сопрягаемых поверхностей, в частности чистота отделки резьбовых и уплотнительных поверхностей. Коррозия повышает трение в соединении, увеличивает вероятность образования задиров. Задиры, ускоряя износ резьбы, снижают долговечность соединения.
Коррозионностойкие легированные стали по своим механическим свойствам заметно отличаются от углеродистых сталей. В частности, им свойственны повышенная, по сравнению с углеродистыми, пластичность и склонность к задирам. В технике обычным приемом предотвращения износа является изготовление сопрягаемых элементов из существенно отличающихся по свойствам материалов. Например: стальная шпилька и латунная гайка или закаленная стальная шпилька и относительно мягкая стальная гайка. Но резьбовые соединения НКТ должны быть равнопрочными. Их изготовление из разнородных материалов проблематично, поэтому основополагающую роль в уменьшении износа играет смазка, одновременно служащая для уплотнения резьбы.
Известно резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, в котором для повышения коррозионной стойкости сопрягаемые поверхности муфты НКТ снабжены фосфатным покрытием толщиной несколько микрон, нанесенным с целью повышения коррозионной стойкости [ГОСТ 633-80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним].
Недостатком известного соединения является малая прочность покрытия. Оно выполняет свою задачу при хранении или транспортировании труб, но истирается и перестает быть полезным после первых же циклов. В последнее время увеличивается число скважин, осложненных коррозионными средами. Для таких скважин фосфатное покрытие как средство защиты от коррозии практически бесполезно.
Известно резьбовое соединение для стальных труб, как из углеродистой, так и из легированной хромом коррозионностойкой стали, содержащее ниппель и муфту, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей которых имеется пористое цинковое покрытие, поверх которого нанесено твердое смазочное покрытие, состоящее из связующего вещества (смолы или органического полимера) и смазочного порошка на основе дисульфида молибдена или вольфрама, или органических соединений молибдена, или графита, или нитрида бора, или политетрафторэтилена [патент РФ №2258859 по кл. F16L 15/00].
Одной из целей создания такого соединения было предотвращение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, вымываемыми из консистентных смазок в почву или океан. Однако замена консистентной смазки твердой не предотвращает загрязнения, а лишь уменьшает его. Тяжелые металлы все равно остаются основой смазки. Известное соединение сложно в изготовлении, а потому дорого, производство необходимых для твердого покрытия связующих веществ само по себе также экологически вредно. Срок службы известного соединения достигает 20 циклов, что хотя и не плохо по сравнению с простейшими способами подготовки (6…7 циклов), но не превышает результаты, достигнутые с применением намного более простых и дешевых способов.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, на резьбовых поверхностях которого выполнено диффузионное цинкование толщиной  мкм, причем на всех остальных поверхностях муфты и переходника выполнено диффузионное порошковое цинкование толщиной в интервале от 15 до 150 мкм [патент РФ на полезную модель №30913]. Износостойкость соединений НКТ из углеродистой стали с таким покрытием существенно превышает износостойкость соединений без покрытия. Однако такие покрытия на резьбовых частях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом и используемых в особо агрессивных по коррозии условиях, до настоящего времени не применяются. Цинковые покрытия на деталях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом, заявителю неизвестны.
Главной причиной неиспользования таких покрытий на резьбовых частях соединений из коррозионностойких сталей, легированных хромом, является неопределенность влияния наличия покрытия на износостойкость или долговечность соединения. Одни испытания подтверждают повышение износостойкости, другие же показывают очень незначительное улучшение, не оправдывающее затрат на нанесение покрытия, тем более, что коррозионная стойкость таких сталей считается достаточной и без цинкового покрытия. Для повышения износостойкости резьбовых соединений из легированных хромом коррозионностойких сталей считается достаточным применение смазывающе-уплотняющих составов.
Тем не менее, коррозионностойкие стали, несмотря на их название, все равно подвержены питтинговой коррозии. Скорость разрушения массивных элементов НКТ, таких как тело трубы, изготовленных из коррозионностойких сталей, конечно, в сотни раз меньше, чем изготовленных из углеродистых сталей. Но резьбовые соединения, точность изготовления которых не хуже десятка микрометров, даже ничтожная коррозия может вывести из строя.
Широко распространено также покрытие резьбы соединений НКТ медью, а также составами на основе меди.
Известен гальванический способ покрытия металлических поверхностей медью, основанный на применении цианистых соединений [Л.Г.Зальцман, С.М.Черная. Справочник гальваника. К.: Техника, 1984]. Он является экологически опасным и довольно затратным способом. При этом не удается получить покрытия с равномерной толщиной по всему профилю резьбы, поскольку расстояния от анода до гребней и впадин резьбы различны. Кроме того, гальванически нанесенное медное покрытие оказывается чрезмерно гладким и плохо удерживает резьбоуплотнительную смазку, быстро вымываемую под давлением в ходе эксплуатации. Износостойкость, измеряемая по числу циклов свинчивание-развинчивание таких покрытых медью соединений, повышается незначительно.
Известен способ повышения износостойкости и герметичности резьбовых соединений, в том числе НКТ, состоящий в том, что на резьбовые поверхности труб механическим способом наносится слой пластичного медьсодержащего сплава [патент РФ №2214478 по кл. С23С 26/00]. Покрытие наносится индивидуально на каждую упрочняемую деталь посредством прижатия к поверхности вращающейся детали натирающего прутка с одновременным смачиванием зоны контакта жидкостью определенного состава. Такое покрытие повышает износостойкость резьбовых соединений. Но параметры покрытия имеют большой разброс от детали к детали, связанный с тем, что покрытие наносится на каждую деталь индивидуально, а критерием завершения процесса является «появление резкого свистящего звука», то есть очень субъективный показатель.
Известен способ повышения износостойкости и герметичности резьбовых соединений, в том числе НКТ, из углеродистой или коррозионностойкой легированной хромом стали, состоящий в том, что, по меньшей мере, одна из сопрягаемых резьбовых поверхностей предварительно подвергается пескоструйной очистке до образования равномерного размера неровностей 10 мкм, затем на нее наносится пористое покрытие, в частности, из цинка или цинкового сплава, поверх которого наносится твердое смазочное покрытие, состоящее из связующего вещества (смолы или органического полимера) и смазочного порошка на основе дисульфида молибдена или вольфрама, или органических соединений молибдена, или графита, или нитрида бора, или политетрафторэтилена [патент РФ №2258859 по кл. F16L 15/00].
Известный способ дорог и сложен в осуществлении, что и является его главным недостатком. Другие недостатки известного способа те же, что и у описанного выше резьбового соединения по тому же патенту.
Известны способы диффузионного порошкового цинкования металлических деталей, при которых в состав порошковой смеси, содержащей порошок цинка, инертный наполнитель, например кварцевый песок, а также различные активаторы, дополнительно вводят либо порошок металлического хрома и оксид хрома [а.с. СССР №560001], либо только оксид хрома [US №6171359]. Первый из известных способов предназначен для цинкования алюминия и его сплавов. Его пригодность для нанесения покрытий на детали соединений НКТ из коррозионной стали не известна. Второй из известных способов предназначен для получения защитных и декоративных цинковых покрытий различного цвета. Его пригодность для нанесения покрытий на детали соединений НКТ из коррозионной стали также не известна. Оба способа имеют тот недостаток, что используют дорогостоящие порошки хрома или оксида хрома. Из-за токсичности хрома и его оксида использование известных способов порождает проблемы, связанные с экологией.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения коррозионной стойкости и долговечности по числу циклов резьбового соединения НКТ, включающего в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, заключающийся в том, что на сопрягаемые резьбовые поверхности наносится методом термодиффузионного порошкового цинкования цинковое покрытие. Процесс нанесения продолжается до достижения покрытием толщины  мкм [Патент РФ на полезную модель №30913]. Режим нанесения покрытия - температура и время выдержки в нагретом состоянии зависит от содержания цинка в порошковой смеси, а также определяется из условия достижения максимальной производительности процесса, то есть сокращения времени нанесения покрытия заданной толщины. Способ хорошо освоен в серийном производстве труб, переходников и муфт из углеродистой стали.
Однако этот способ применительно к резьбовым частям соединений из коррозионностойких сталей, легированных хромом и используемых в особо агрессивных по коррозии условиях, до настоящего времени не применяется как из-за того, что коррозионная стойкость таких сталей считается достаточной и без цинкового покрытия, так и из-за неопределенности влияния наличия покрытия на долговечность соединения. Цинковые покрытия на деталях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом, заявителю не известны.
Технической задачей настоящего предложения является повышение износостойкости соединений коррозионностойких обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%, без существенного удорожания соединения.
Указанная цель достигается тем, что в соединении коррозионностойких обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%, по меньшей мере, одна из сопрягаемых поверхностей имеет цинковое покрытие, нанесенное методом термодиффузионного порошкового цинкования, в состав которого входит хром в количестве 2…9% по массе при суммарной толщине покрытий на сопрягаемых деталях в пределах 15…50 мкм и минимальной толщине покрытия 15 мкм, причем микротвердость покрытия превосходит микротвердость материала деталей соединения в 1,5…2,2 раза.
Еще одной технической задачей настоящего предложения является создание несложного, эффективного и экологически чистого способа повышения износостойкости по числу циклов соединений коррозионностойких обсадных и насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%.
Указанная цель достигается тем, что, по меньшей мере, на одну из сопрягаемых поверхностей соединения коррозионностойких обсадных и насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20% методом термодиффузионного порошкового цинкования наносят цинковое покрытие, причем процесс проводят до достижения содержания хрома в покрытии в пределах 2…9% по массе при суммарной толщине покрытий на сопрягаемых деталях в пределах 15…50 мкм и минимальной толщине покрытия 15 мкм.
Кроме того, при нанесении покрытия используют одноразовые порошковые смеси.
Кроме того, процесс нанесения покрытия осуществляют в две стадии: вначале наносят цинковое покрытие требуемой толщины, а затем деталь с покрытием подвергают термообработке до достижения заданного содержания хрома в покрытии.
Кроме того, заданное содержание хрома в покрытии считают достигнутым, когда микротвердость покрытия превосходит микротвердость детали в 1,5…2,2 раза.
Представленное ниже соотнесение влияния заявленных признаков на достигаемый технический результат относится как к устройству, так и к способу.
Благодаря наличию цинкового покрытия с содержанием хрома 2…9% по массе, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей соединения износостойкость соединения резьбовых деталей из коррозионностойких сталей с содержанием хрома 3…20% повышается до 40 циклов свинчивание-развинчивание и более.
Благодаря тому, что минимальная толщина покрытия составляет 15 мкм, обеспечивается гарантированная сплошность покрытия и достижение эффекта повышения износостойкости соединения.
Благодаря тому, что максимальная суммарная толщина покрытий не превышает 50 мкм, соединение с покрытием можно собирать, руководствуясь указаниями стандартных нормативных документов, в частности, использовать установленные критерии натяга соединения для определения правильности свинчивания. Это устраняет возможные затруднения с внедрением предложенных резьбовых соединений.
Благодаря тому, что покрытие нанесено методом термодиффузионного цинкования, обеспечивается упрощение, удешевление и экологическая чистота процесса изготовления деталей соединения. Это достигается за счет того, что для цинкования используются обычные порошковые смеси, не содержащие хром, а хром, повышающий качество покрытия, поступает в него в результате термодиффузии из металла деталей.
Благодаря тому, что покрытие может быть нанесено только на одну из сопрягаемых деталей, упрощается и удешевляется технология нанесения покрытия, в частности, из-за того, что его можно наносить только на короткие муфты или переходники. Это не требует применения технологических установок большой длины.
Благодаря тому, что микротвердость покрытия превосходит микротвердость детали, по меньшей мере, в 1,5 раза, повышается износостойкость соединения, так как при меньшем повышении микротвердости износостойкость увеличивается незначительно.
Благодаря тому, что микротвердость покрытия не превосходит микротвердость детали более чем в 2,2 раза, также повышается износостойкость соединения, так как при большей микротвердости возрастает хрупкость покрытия и опасность повреждения при свинчивании более мягкой сопрягаемой поверхности.
Благодаря тому, что при нанесении покрытия методом термодиффузионного порошкового цинкования критерием завершенности процесса служит не достижение заданной толщины, а содержание хрома в покрытии (2…9%), обеспечивается получение покрытия со свойствами, наилучшими с точки зрения повышения износостойкости соединения.
Благодаря использованию одноразовых порошковых смесей обеспечивается возможность получения покрытия с требуемым содержанием хрома без опасения, что его толщина окажется чрезмерной. Это увеличивает выход годных деталей, удешевляя тем самым производство.
Благодаря проведению процесса нанесения покрытия в две стадии, удешевляется производство и повышается его эффективность за счет повышения воспроизводимости результатов процесса и устранения риска получения чрезмерно толстых покрытий.
Благодаря тому, что критерием достижения требуемого содержания хрома в покрытии служит микротвердость покрытия, упрощается диагностика качества покрытия, ускоряется процесс подбора оптимального режима в случае смены материала деталей.
Благодаря тому, что покрытие наносится на коррозионностойкую сталь с содержанием хрома от 3 до 20%, обеспечивается термодиффузионное поступление хрома в покрытие в количестве, достаточном для придания покрытию свойств, предотвращающих износ соединения.
Предложенное резьбовое соединение насосно-компрессорных или обсадных труб состоит из элемента (детали) с наружной резьбой - трубы, переходника, часто называемых общим термином «ниппель», и сопрягаемого (свинчиваемого) с ним элемента с внутренней резьбой - переходника или муфты, часто называемых общим термином «муфта». Детали соединения изготовлены из коррозионностойкой (нержавеющей) стали с содержанием хрома от 3 до 20% по массе.
На резьбовой, уплотнительной и упорной поверхностях одной из сопрягаемых деталей или обеих деталей нанесено защитное покрытие. Назначение покрытия - повысить коррозионную стойкость резьбы, а также уплотнительных и упорных поверхностей как наиболее уязвимых частей деталей, а также повысить износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание. В случае нанесения покрытия только на одну из деталей оно предпочтительно наносится на муфту, так как из-за ее сравнительно небольшой длины это технологически проще. Риск коррозии остающейся без покрытия второй, сопрягаемой детали весьма невелик, поскольку в свинченном состоянии покрытие на одной из деталей, равномерно заполняя зазоры в резьбе, предохраняет от коррозии и вторую деталь. Вне воздействия агрессивной среды, то есть в развинченном состоянии, при хранении или транспортировке, детали из коррозионностойкой стали не коррозируют. Разница в износостойкости соединений, имеющих покрытие на одной или на обеих деталях, есть, но она не настолько значительна, чтобы оправдать затраты по нанесению покрытия на длинномерную НКТ. Если же сопрягаемая с муфтой деталь имеет сравнительно небольшую длину, то покрытие лучше наносить на обе детали.
Минимальная толщина покрытия на любой из деталей составляет 15 мкм. При меньшей толщине покрытие может оказаться не сплошным. Максимальная суммарная толщина покрытия не должна превышать 50 мкм, независимо от толщины на каждой из деталей. При суммарной толщине свыше 50 мкм и свинчивании соединения стандартным способом с приложением нормированного крутящего момента резьбу, как правило, не удается дотянуть до состояния, которое нормативными документами определено как нормальное. Обычно критерием правильности сборки является совпадение плоскости торца муфты с выходом резьбы на ниппеле. Соединение, недотянутое нормированным крутящим моментом до указанного состояния, по принятым нормам считается бракованным.
Среднее массовое содержание хрома в покрытии должно находиться в пределах 2…9%. При меньшем содержании хрома износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание снижается в среднем на 20% за счет уменьшения его твердости и ускоренного истирания. Поэтому 2% хрома в покрытии было принято за нижний предел. При таком содержании хрома микротвердость покрытия приблизительно в 1,5 раза превосходит микротвердость металла деталей.
При содержании хрома свыше 9% долговечность соединения также снижается на 20% и более за счет повышения его хрупкости и частичного срыва с деталей при затяжке. При таком содержании хрома микротвердость покрытия приблизительно в 2,2 раза превосходит микротвердость металла деталей.
Хром располагается неравномерно по толщине покрытия, его наименьшая концентрация установлена вблизи открытой поверхности покрытия. Поэтому, говоря о массовом содержании хрома, всюду подразумевается содержание, усредненное по всей толщине покрытия.
Предложенный несложный способ изготовления долговечного сопрягаемых поверхностей резьбового соединения насосно-компрессорных или обсадных труб из стали с содержанием хрома 3…20% заключается в том, что на одну или обе детали резьбового соединения методом термодиффузионного порошкового цинкования наносят цинковое покрытие. Продолжительность процесса цинкования и его температурный режим устанавливают таким, чтобы по его завершении среднее содержание хрома в покрытии составляло 2…9% по массе, а суммарная толщина покрытий на сопрягаемых деталях лежала в пределах 15…50 мкм при минимальной толщине покрытия на одной детали 15 мкм.
В известных технологиях режим процесса нанесения покрытий методом термодиффузионного порошкового цинкования устанавливается исходя из соображений получения бездефектного покрытия заданной толщины. Заявителем установлено, что время достижения требуемой концентрации хрома в покрытии заметно превышает оптимальное время, необходимое для получения цинкового покрытия требуемой толщины, возможно, из-за различий свойств хрома и железа, а также существенно разного содержания их в металле детали.
Обычно применяемые для термодиффузионного порошкового цинкования порошковые многоразовые смеси для осуществления предложенного способа малопригодны. При омолаживании использованной смеси посредством добавления порошка цинка рассчитать требуемое количество цинкового порошка очень трудно. Поэтому применение многоразовых смесей не обеспечивает требуемой для соединений НКТ воспроизводимости параметров покрытия. В предложенном способе используются одноразовые смеси. В каждом случае количество порошковой смеси рассчитывается исходя из площади поверхности обрабатываемой детали и заданной толщины покрытия.
Наиболее общим и самым простым способом получения цинкового покрытия с требуемым содержанием хрома является проведение процесса в две стадии: нанесение цинкового покрытия заданной толщины и выдержка при повышенной температуре для того, чтобы в покрытие продиффундировало требуемое количество хрома из металла детали. Температура выдержки может быть равна температуре нанесения покрытия или, для ускорения процесса, может быть установлена несколько большей. При использовании одноразовой смеси можно держать в реторте деталь сколь угодно долгое время и при этом заданная толщина покрытия не увеличивается.
При практической реализации предложенного способа удается установить режимы, при которых время нанесения покрытия заявленной толщины и время достижения требуемой концентрации хрома в покрытии максимально совпадают. Параметры режима (время и температура процесса) зависят от требуемой толщины покрытия и марки стали, из которой изготовлена деталь. Эти параметры определяются для каждой толщины и марки экспериментально. Расчетное определение режима затруднено тем, что скорость достижения требуемой концентрации хрома в покрытии не пропорциональна процентному содержанию хрома в стали.
Например, заявителем установлено, что для изделий из хромосодержащей мартенситной стали 20Х13, которая содержит от 12 до 14 весовых процентов хрома, оптимальная температура процесса цинкования/диффузии составляет 350-440°, предпочтительно 420-430°. При этом продолжительность процесса составляет 4,5 часа, а достигаемая толщина покрытия на ниппеле составляет 20 мкм. Процентное содержание по массе хрома в покрытии оказывается равным 9,65% вблизи детали, 1,12% вблизи поверхности покрытия и 4,17% в среднем по двадцати сечениям.
Процесс определения оптимального режима требует значительного времени из-за необходимости после каждого эксперимента определять содержание хрома в покрытии. Заявителем установлена связь между содержанием хрома и величиной отношения микротвердости покрытия и микротвердости металла детали. Определение микротвердости не требует много времени и подбор оптимального режима осуществляется во много раз быстрее.
Как установлено заявителем, решающее влияние на износостойкость соединений НКТ из коррозионностойких сталей с содержанием хрома 3…20% оказывает не абсолютная величина микротвердости покрытия, а величина его отношения к микротвердости металла детали. Эта величина не зависит от способа определения микротвердости, при условии, что она определялась одним методом и для детали и для покрытия. Точная причина указанной связи пока не установлена, но можно предположить, что при недостаточной величине соотношения (меньшей 1,5), при силовой затяжке соединения сплошность покрытия на гребешках микронеровностей нарушается, и между однородными по своим свойствам поверхностями из высоковязкой хромсодержащей стали появляются своего рода спаи, приводящие к задирам. При величине соотношения, большей 2,2, износостойкость начинает снижаться, возможно, из-за того, что чрезмерно твердое покрытие начинает травмировать ответную, сопрягаемую деталь.
В результате стендовых испытаний соединений, изготовленных предложенным способом, установлено, что их износостойкость превышает 40 циклов свинчивание-развинчивание. Герметичность соединений, проверенная после сорокового цикла испытаний, оставалась безупречной.
Результаты испытаний свидетельствуют о высокой долговечности предложенных соединений и эффективности предложенного способа изготовления износостойких соединений.
Осуществление предложенного способа не требует нового оборудования или переделок хорошо освоенного и широко применяемого оборудования для нанесения термодиффузионных цинковых покрытий.