УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ 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 ультразвуковой обработки, а конкретно - для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб, например, бурильных, обсадных и насосно-компрессорных и др., в процессе их восстановления, подготовки к эксплуатации, ремонта и технического обслуживания.
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 распределения 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 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 на подвижной вдоль станины каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении и датчик линейных перемещений (RU 2092291).
Существенные потери точности наружного конуса резьбы в процессах ультразвуковой обработки трубных изделий определяются отклонением от соосности ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого резьбового элемента.
Недостатком известного устройства-прототипа является то, что из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности. Кроме того, указанное устройство не имеет упора-фиксатора в качестве горизонтального датчика торца обрабатываемой трубы. Окончание свинчивания, как указано в описании прототипа, определяется только по достижению нормированной величины крутящего момента сопротивления, что снижает точность оценки фактического положения для торца как зоны контроля при аттестации ниппеля по показателям «натяг торца по калибру-кольцу». Вероятность перебраковки изделий в таком случае высока.
Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении соосности ультразвуковой колебательной системы и
обрабатываемого резьбового элемента, а также в повышении точности аттестации ниппеля, снижении вероятности перебраковки изделий.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой обработки 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, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную на подвижной вдоль станины каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси дополнительно содержит горизонтальный датчик торца трубы, выполненный в виде устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки трубы в зону обработки ее 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 ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной вертикально.
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 на восстанавливаемый резьбовой элемент.
Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
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 резьбовой крепежной детали, например, шпильки.
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 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°.
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 гидромагистрали мотора 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 оптических датчиков или в виде электромагнитных бесконтактных датчиков с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных датчиков 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 отклонение 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 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 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, которые особым образом 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 одна пружина расположена 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 вертикально, 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 оптимального обслуживания и оптимальной металлоемкости устройства.
Предлагаемое устройство имеет стандартную принципиальную схему и состоит из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковой головки, имеющей корпус, системы подвески ультразвуковой головки, размещенной на подвижной вдоль станины каретке,
узла позиционирования трубы в продольном направлении и датчика линейных перемещений. Каретка установлена на опорах и имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. Узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси снабжен дополнительно горизонтальным датчиком торца трубы. Датчик выполнен в виде устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки трубы в зону обработки ее резьбового элемента.
В корпусе 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.
Ультразвуковая головка содержит локальную ванну, уплотняющуюся по внешней поверхности обрабатываемого резьбового элемента.
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.
Трубу с обрабатываемым резьбовым элементом, например муфтовым, подводят посредством механизма относительного вращения резьбовых элементов труб к ультразвуковой головке, свинчивают с обрабатывающим трубным резьбовым элементом, при этом в локальную ванну обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Возможно как вращение ультразвуковой головки при неподвижной трубе с обрабатываемым резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.
При замедлении относительного вращения в конце свинчивания по сигналу акселерометра включают обработку резьбы потоком ультразвуковых колебаний, 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 основного тона собственных колебаний обрабатываемой муфты (предпочтительно, 20±2 кГц), амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из желаемой интенсивности ультразвукового воздействия и времени обработки, в том числе и значения амплитуды порядка 7-40 мкм.
При этом, продолжая свинчивать резьбовые элементы, выполняют совмещенную обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием и потоком ультразвуковых колебаний, что обеспечивает очистку и химическую пассивацию резьбы. Свинчивание резьбовых элементов прерывают по горизонтальному датчику торца трубы - устанавливаемой пластине упора-фиксатора в конце хода загрузки трубы в зону обработки, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов. Начало развинчивания облегчается радиальными деформациями
обрабатывающего резьбового элемента при приложении крутящего момента развинчивания вследствие наличия спиральных пазов.
Развинчивание прерывают при достижении минимально необходимого натяга, затем снова, при необходимости, переходят к свинчиванию. Операции проводят в течение от одного и более проходов до достижения осевого натяга, фиксируемого датчиком, соответствующего аттестации обрабатываемого резьбового элемента годным по калибру, после чего свинчивание прекращают окончательно. В ходе чередующихся операций со свинчиванием и развинчиванием резьбовых элементов происходит формоизменение резьбы, в частности, образующей муфтового резьбового элемента по кривой, имитирующей кривую эксплуатационного износа.