ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНДА ДЛЯ УСТАНОВКИ ЗАМКОВ ИЗ СТАЛИ НА БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
CIRCULATING SYSTEM OF TEST RIG COOLING FOR STEEL LOCKS INSTALLATION ON DRILLING PIPES OUT OF ALUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для сборки бурильных труб из алюминиевых сплавов со стальными замками посредством их нагрева, навинчивания на трубу и охлаждения замка и трубы.
Известна система охлаждения при сборке бурильных труб из алюминиевых сплавов со стальными замками (патент US 3126214, 24.03.1964), содержащая средства охлаждения замка с наружным спрейером и средства для охлаждения бурильной трубы, обеспечивающие подачу проточной воды по шлангу во внутреннюю полость трубы, изолированную от замка съемной пробкой. Известная система не обеспечивает поддержание постоянной температуры трубы, что может привести к снижению надежности соединения.
Известна система охлаждения стенда для установки замков из стали на бурильные трубы из алюминиевого сплава (патент SU 1340962, 30.09.1987), содержащая устройство наружного и  внутреннего охлаждения, выполненные в виде соединенных с насосом центральных трубопроводов со спрейерами на концах для введения в бурильную трубу, которые снабжены уплотнениями, образующими с внутренней полостью конца бурильной трубы замкнутую камеру охлаждения, а подающий охлаждающую жидкость трубопровод выполнен в виде концентрично расположенных труб.
Управление системой охлаждения с одним насосом и клапанами осуществляется с пульта управления стенда.
Недостатком системы охлаждения стенда для установки замков из стали на бурильные трубы из алюминиевого сплава является единая циркуляционная система охлаждения трубы и замка, в которой для охлаждения используется жидкость с одинаковыми физическими свойствами, в случае использования замкнутой циркуляционной системы оборотная жидкость, отработанная при охлаждении трубы и нагретого замка, поступает в общий резервуар, где по мере работы стенда нагревается, ухудшая условия охлаждения бурильной трубы. Кроме того, охлаждение замка ограничено подачей жидкости на наружную поверхность замка.
Технический результат, который достигается изобретением, заключается в повышении надежности соединения труб из алюминиевого сплава путем предотвращения нагрева бурильной трубы до температуры, при которой происходит снижение прочностных свойств материала трубы, за счет повышения интенсивности отвода тепла от трубы и замка.
Указанный технический результат достигается тем, что циркуляционная система охлаждения стенда для установки замков из стали на бурильные трубы из алюминиевого сплава, содержащая резервуар для охлаждающей жидкости, насос, трубопроводы для подачи охлаждающей жидкости в устройство охлаждения замка, включающее спрейер для охлаждения наружной поверхности замка, и в устройство внутреннего охлаждения бурильной трубы, включающее спрейер с кольцевым уплотнением для введения в бурильную трубу, и средства управления, соединенные с системой управления стенда, снабжена дополнительным резервуаром для охлаждающей жидкости, дополнительным насосом и охладителем жидкости, которые сообщены трубопроводами с устройством внутреннего охлаждения бурильной трубы с образованием замкнутого контура охлаждения бурильной трубы, средства управления которого соединены с системой управления стенда, при этом резервуар для охлаждающей жидкости и насос сообщены трубопроводами с устройством для охлаждения замка с образованием замкнутого контура охлаждения замка, средства управления которого соединены с системой управления стенда. Образованные независимые замкнутые контуры для охлаждения трубы и нагретого замка с отдельными резервуарами и насосами для подачи охлаждающей жидкости обеспечивают возможность независимого регулирования температуры замка и бурильной трубы.
Устройство охлаждения замка, кроме того, снабжено установленным в контуре охлаждения замка спрейером для охлаждения внутренней поверхности замка, расположенным соосно со спрейером для охлаждения бурильной трубы с противоположной от него стороны относительно кольцевого уплотнения. Спрейер устройства внутреннего охлаждения бурильной трубы жестко связан со спрейером для охлаждения внутренней поверхности замка и с сообщенной с контуром охлаждения бурильной трубы внутренней трубой, а спрейер для охлаждения внутренней поверхности замка жестко связан с установленной на внутренней трубе наружной трубой с образованием между внутренней и наружной трубами канала, сообщенного с контуром охлаждения замка.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид циркуляционной охлаждающей системы стенда для установки замков из стали на бурильные трубы из алюминиевого сплава, включающий циркуляционный контур охлаждения бурильной трубы ЦКТ и контур охлаждения замка ЦКЗ; на фиг. 2 изображен контур охлаждения бурильной трубы, на фиг. 3 изображен спрейер с кольцевым уплотнением для охлаждения бурильной трубы и спрейер для охлаждения внутренней поверхности замка.
Циркуляционная система стенда для установки замков из стали на бурильные трубы из алюминиевого сплава включает два независимых замкнутых контура для охлаждения собранного соединения бурильной трубы со стальным замком: замкнутый циркуляционный контур охлаждения замка и замкнутый циркуляционный контур охлаждения бурильной трубы.
Циркуляционная система стенда содержит образующий замкнутый контур охлаждения замка резервуар для охлаждающей жидкости 1, насос 2, трубопроводы и шланги 3 для подвода охлаждающей жидкости в устройство охлаждения замка 5, включающее спрейер 4 для охлаждения наружной поверхности замка 5, собранного с бурильной трубой 6. Замок 5 для навинчивания на трубу 6 соединен с полым валом 7 через фланец 8 с отверстиями 9. Спрейер 4 выполнен в виде продольных трубок с отверстиями, трубки устанавливаются вокруг замка 5 и располагаются внутри защитной камеры 10 с поддоном 11 для слива отработанной жидкости в резервуар 1. Устройство охлаждения замка снабжено установленным в контуре охлаждения замка спрейером 24 для охлаждения внутренней поверхности замка 5, охлаждающая жидкость в который подается насосом 2 по патрубку 13 и каналу 14, образованному наружной трубой 15 и внутренней трубой 16.
Циркуляционная система охлаждения стенда содержит контур внутреннего охлаждения бурильной трубы 6, включающий дополнительный резервуар 17 для охлаждающей жидкости, дополнительный насос 18, охладитель жидкости 19, прибор 20 для измерения температуры, группа которого определяется в зависимости от системы управления охладителем, трубопроводы и шланги 21 для подвода охлаждающей жидкости в устройство внутреннего охлаждения бурильной трубы, включающее спрейер 12 с кольцевым уплотнением для введения в бурильную трубу. Каждый контур содержит средства управления, соединенные с системой управления стенда для регулирования параметров подаваемой на охлаждение жидкости, в частности температуры, давления, объема. Спрейер 24 для охлаждения внутренней поверхности замка расположен соосно со спрейером 12 для охлаждения бурильной трубы с противоположной от него стороны относительно кольцевого уплотнения 27. Спрейер 12 для охлаждения бурильной трубы имеет головной патрубок 23 с отверстиями 25 для подачи охлаждающей жидкости в бурильную трубу, кольцевое уплотнение 27 и направляющие ребра 28 и жестко связан со спрейером 24 для охлаждения внутренней поверхности замка с отверстиями 26. Головной патрубок 23 размещается в бурильной трубе 6, а спрейер 24 располагается с противоположной стороны от спрейера 12 относительно уплотнения 27 во внутренней полости замка 5. Спрейер 12 соединен с трубопроводом 21 внутренней трубой 16, на которой соосно установлена наружная труба 15, соединенная с патрубком 13, а резьбовым соединением 29 или любым другим соединением со спрейером 24.
Циркуляционная система охлаждения стенда работает следующим образом.
Предварительно бурильная труба 6 с нарезанными резьбовыми концами закрепляется на стенде в исходном положении, а замок 5 - в нагревателе (на схеме не показан). Элементы циркуляционной системы внутреннего охлаждения трубы: спрейер 12 с наружной трубой 15 и внутренней трубой 16 вводятся в трубу 6, с установкой кольцевого уплотнения 27 в зоне торца трубы 6, включается дополнительный насос 18 для подачи охлаждающей жидкости из дополнительного резервуара 17 в спрейер 12 через охладитель 13, управление которым может производиться в ручном или автоматическом режиме системой управления стенда через средства управления. Слив отработанной жидкости производится по бурильной трубе 6 в дополнительный резервуар 17, который может иметь теплоизоляцию. Для уменьшения тепловых потерь при охлаждении резьбовой конец бурильной трубы 6 может быть защищен теплоизолирующим колпаком, удаляемым перед навинчиванием замка 5.
Замок 5, нагретый до заданной температуры, обеспечивающей необходимый диаметральный зазор в резьбе, навинчивается на трубу 6 вращателем (на схеме не показан) через полый вал 7 и фланец 8.
По завершении свинчивания резьбы, при котором происходит контакт внутренних торцов резьб трубы 6 и замка 5, включается насос 2 циркуляционного контура охлаждения замка 5, жидкость из бака 1 по трубопроводам и шлангам 3 подается в спрейер 4 наружного охлаждения замка 5 и в спрейер 24 для охлаждения внутренней поверхности замка 5. Отработанная в спрейере 4 жидкость сливается непосредственно в поддон 11, а жидкость, отработанная в спрейере 24, поступает в поддон 11 через отверстия 9 во фланце 8 и далее в резервуар 1. Охлаждение бурильной трубы 6 ведется одновременно с охлаждением замка 5 до понижения температуры собранного соединения до 80°C с дальнейшим понижением температуры воздушной средой.
По окончании охлаждения собранного соединения фланец 8 с валом 7 отвинчиваются от замка 5 и отводятся от трубы. На фиг. 1 показана сборка трубы 6 с муфтой замка 5, ниппель (на чертеже не показан) замка 5 навинчивается на трубу 6 с противоположной стороны.
Температурный режим нагрева и охлаждения замка и трубы определяются опытным путем. Эксперименты показали, что при навинчивании стального замка, нагретого до 320°C, на трубу из алюминиевого сплава, нагрев последней в зоне резьбы при охлаждении не превышает 108°C, что является безопасным для сплавов 1953Т1 и Д16Т, используемых, в основном, для изготовления бурильных труб. Эксперименты проводились на трубе диаметром 147 мм из сплава 1953Т1 и стальных замках диаметром 178 мм. При навинчивании замков с увеличенной массой на бурильные трубы диаметром 168 мм и на специальные трубы, включая толстостенные, наружного охлаждения замка может оказаться недостаточным для предотвращения снижения прочностных свойств материала трубы в резьбовом соединении от превышения температуры, прежде всего, витков резьбы и упорного торца. В этом случае дополнительная подача охлаждающей жидкости во внутреннюю полость замка и понижение температуры жидкости, поступающей в внутреннюю полость трубы через охладитель позволит сохранить прочностные свойства материала трубы.
-6
-6
Кроме того, учитывая, что коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава трубы при 20°C α=23/10 1/Град в 1,9 раза выше, чем у стали 40ХМФА (при 300°C α=12,7/101/Град), из которой изготавливаются замки, снижение температуры жидкости для охлаждение трубы является более эффективным в сравнении с повышением температуры нагрева замка для получения заданного натяга в резьбе.