ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ КОНИЧЕСКОЙ РЕЗЬБЫ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области комбинированной обработки металлов и может быть использована при восстановлении и упрочнении конических резьбовых поверхностей деталей и изделий, бывших в эксплуатации, преимущественно бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб и муфт, а также при подготовке к эксплуатации конических резьбовых поверхностей новых деталей и изделий.
Известен инструмент для восстановления конических резьбовых соединений, например, нефтепромысловых труб, содержащий резьбовую рабочую поверхность, ответную обрабатываемой резьбе, с пазами, расположенными на рабочей поверхности и пересекающими направления ниток резьбы, с упрочняющим износостойким покрытием, нанесенным на рабочую поверхность полосами определенной толщины и ширины вдоль пазов на передние, задние контактные поверхности резьбы, на ее вершины и впадины. При этом инструмент может быть выполнен в виде метчика или плашки. (Патент РФ №2141890 МПК В 23 Р 6/00, опубл. 27.11.1999 г.) Недостатком известного инструмента является сложность его изготовления. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является инструмент для ультразвуковой обработки, используемый в устройстве для восстановления резьбовых элементов нефтепромысловых труб. Инструмент расположен на четвертьволновом участке волновода и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, с пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания обрабатываемой резьбы. (Патент РФ №2092291, описание, фиг.1, МПК В 23 Р 6/00 опубл. 10.10.1997 г. - прототип)
Недостатки прототипа - ультразвуковой инструмент с резьбовой поверхностью, ответной обрабатываемой резьбе, например, ультразвуковой инструмент - метчик, фиг.1, обрабатывает в муфте рабочий участок резьбовой поверхности, расположенный от основной плоскости 7 резьбы на нормативную длину l*, работающий в начальный
период эксплуатационной приработки конического соединения, а не на всю максимально возможную глубину (l=l*+2Р, где Р - шаг резьбы) захода ниппеля в муфту в конце нормативной по натягу А, фиг.1, эксплуатации соединения, что незначительно продлевает срок эксплуатации восстанавливаемой резьбы.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в увеличении срока нормативной службы деталей и изделий с конической резьбой, в частности, труб и муфт, то есть в увеличении срока их безаварийной эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение повышенной надежности обрабатываемого резьбового соединения за счет увеличения его длительной прочности и герметичности путем ультразвуковой обработки резьбы инструментом, обеспечивающим упрочнение далеко отстоящих друг от друга рабочих витков и, как следствие, увеличение базовой длины сопряжения резьбового соединения.
Указанный технический результат достигается тем, что в инструменте для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей, преимущественно нефтепромысловых труб, содержащем корпус-волновод, выполненный с возможностью сменного крепления к волноводу, подводящему ультразвуковые колебания от внешнего источника, на выходном четвертьволновом участке корпуса-волновода расположена рабочая зона инструмента с резьбовой поверхностью, ответной обрабатываемой резьбе детали, соответствующей нормативам конусности, среднего диаметра в основной плоскости, угла профиля, шага и параметров фаски на заходном витке для обрабатываемой резьбы, согласно полезной модели, рабочая зона инструмента снабжена дополнительным резьбовым участком, расположенным со стороны заходного витка резьбовой поверхности, длина дополнительного участка не менее шага резьбы, но не более величины сбега, нормативной для обрабатываемой резьбы.
Крепление корпуса-волновода выполнено резьбовым и/или фланцевым.
Инструмент имеет, по меньшей мере, один паз, выполненный пересекающим рабочую зону, что обеспечивает более эффективный отвод из зоны обработки микростружки и удаляемых загрязнений.
Инструмент выполнен в виде метчика или в виде плашки.
Увеличение длины образующей резьбового конуса от основной плоскости до торца с заходом в нитку резьбы ультразвукового инструмента, например, в форме метчика от нормы не менее, чем на виток, дает возможность подготовить, как минимум, в обрабатываемой муфте один виток впрок.
Аналогично с помощью инструмента в форме плашки дорабатывают отделочно-упрочняющей обработкой на ниппеле впрок, как минимум, один виток резьбы. Такое
решение позволяет увеличивать ресурс нормативных по качеству сборок конических соединений трубных колонн.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен инструмент типа метчика, а на фиг.2 - инструмент типа плашки.
Инструмент для обработки конической резьбы деталей (метчик - фиг.1 и плашка - фик.2) содержит корпус-волновод 1, крепежную часть 2 с резьбовым и/или фланцевым приспособлением 3 для разъемного крепления корпуса 1 к волноводу 4, подводящему ультразвуковые колебания от внешнего источника (на чертеже не показан), а также коническую часть 5 с резьбой, содержащую рабочую зону 6 с резьбовой поверхностью, ответной обрабатываемой резьбе. Рабочая зона 6 соответствует обрабатываемой резьбе по нормативам конусности, среднего диаметра в основной плоскости 7, угла профиля шага и параметров фаски 8 на заходном витке. Резьбовая поверхность рабочей зоны 6 метчика, фиг.1, расположена от основной плоскости 7 до фаски 8 и имеет длину l=l*+2Р, где l* - нормативная длина наружной обрабатываемой резьбы с полным профилем, снабжена дополнительным резьбовым участком 9, расположенным со стороны заходного витка на фаске 8 резьбовой поверхности. Длина дополнительного резьбового участка 9 не менее шага Р резьбы, но не более величины сбега, нормативной для обрабатываемой резьбы. Для плашки, фиг.2, аналогично, длина резьбы l=l*+2Р. На фиг.1 показаны штрих-пунктирно плоскости: 10 - нормативного, например по ГОСТ 51906-2002, рис.4, положения «торца трубы при свинчивании от руки»; 11 - положения торца и фаски 8 метчика, соответствующих по геометрии торцу и фаске нормативной трубной резьбы, в нормативной муфте после ультразвуковой обработки. На фиг.2 12 - нормативное по стандарту положение «плоскости свинчивания от руки» на трубной резьбе: 13 - положение на трубной резьбе «плоскости свинчивания» с плашкой после ультразвуковой обработки; 14 - положения «конца сбега резьбы».
Инструмент работает следующим образом. Включают внешний приводной механизм вращения (не показан) обрабатываемой детали 15 в направлении свинчивания ее с рабочей зоной 6 конической части 5 инструмента и внешний источник ультразвуковых колебаний (не показан). Через волновод 4 колебания передаются конической части 5, в том числе, резьбовой поверхности рабочей зоны 6 с дополнительным участком 9 у фаски 8. При этом происходит отделочно-упрочняющая обработка, а также зачистка резьбы детали 15 с удалением загрязнений и микростружки с поверхности обрабатываемой резьбы детали, вытеснение их в технологический нормативный зазор резьбового соединения между вершинами профиля одной резьбы и
канавками ответной, или в дополнительно выполненный паз 16. При этом, кроме нормативного участка обрабатываемой резьбы детали (длиной /* от основной плоскости 7 по нормативам на обрабатываемую резьбу), дополнительно обрабатывается зона, ответная участку 9 на инструменте. По достижении заданного уровня технологического показателя обработки, например, по натягу А между нормативно расположенным от основной плоскости 7 сбегом 14 резьбы инструмента (метчика, фиг.1) и торцом обрабатываемой детали 15 (муфты), или по натягу А между сбегом 14 трубной резьбы и торцом инструмента (плашки, фиг.2) и/или по завершении определенного интервала времени, реверсируют направление вращения внешнего приводного механизма. При начале развинчивания инструмента и детали выключают ультразвуковые колебания внешнего источника, окончательно развинчивают инструмент и деталь.
Пример 1.
Инструмент метчик устанавливают соосно муфте, включают подачу смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону свинчивания. Обрабатываемой муфте сообщают винтовое перемещение с шагом Р от внешнего привода (на чертеже не показан). Свинчивают инструмент с муфтой до появления упора с нормированным моментом сопротивления, который ниже нормативного момента для эксплуатации конического резьбового соединения и близок к условию свинчивания от руки. При указанном упоре происходит совмещение резьбовой поверхности инструмента с резьбой муфты по средним конусам, включая дополнительный участок 9 (фиг.1). При этом возможны варианты:
Пример 1.1.
При подготовке к эксплуатации новую нормативную муфту устанавливают в механизм вращательно-поступательного перемещения, включают подачу смазочно-охлаждающей жидкости, правое вращение механизма перемещения и ультразвуковые колебания волновода 4(фиг.1).
При остановке в упоре, средние конуса и основные плоскости 7 резьбовых поверхностей метчика и муфты совпадают. Но, в отличие от сборки по нормативу, фаска 8 на заходном витке наружной резьбы инструмента расположится в плоскости 11, как минимум, на один шаг дальше, чем торец 10 нормативного ниппеля в глубине обрабатываемой муфтовой резьбы.
Корпусу-волноводу 1 инструмента через волновод 4 сообщают ультразвуковые колебания от внешнего источника. Под действием звукокапилярного эффекта
происходит проникновение СОЖ в субмикронные щели соединения. Происходит калибрующая отделочно-упрочняющая обработка внутренней резьбы по всей длине / резьбы муфты большей, чем нормативная /*, по меньшей мере, на один шаг Р резьбы.
Откалиброванная форма профиля и высокое качество поверхности резьбы, в том числе ее дополнительного участка, соответствующего участку 9 инструмента, обеспечивают продление срока службы соединения, безаварийные условия эксплуатации оборудования и герметичность соединения.
Пример 1.2.
При первом свинчивании инструмента и муфты, бывшей в эксплуатации, замыкание сборки по четырем зонам фактических площадок контактирования наступит при заходе инструмента в раздутую воронкой муфту. В данном варианте фаска 8 (фиг.1) на заходном витке инструмента, точнее сам первый его виток, оказывается первым в контакте (по среднему диаметру) с глубоко лежащим витком резьбы муфты. Именно там, в основном, происходит раздача среднего диаметра витка резьбы муфты с помощью ультразвуковых колебаний и формирование плосковершинного микрорельефа с упрочнением муфтовой резьбы. Это создает условия продвижения инструмента вглубь муфты при повторных свинчиваниях ее с инструментом, корректировки формы среднего конуса муфтовой резьбы с приближением ее к нормативной. Таким образом, происходит восстановление и подготовка муфты к сопряжению ее резьбы с нормативным ниппелем по среднему конусу.
После такой обработки резьбы муфты нормативный ниппель будет входить в нее на большую глубину, чем обычно. Дополнительный участок резьбовой поверхности будет хорошо откалиброван и упрочнен, что повышает качество конического резьбового соединения по прочности и герметичности. Эксплуатация муфт, восстановленных предлагаемым инструментом, будет более надежной и экологически безопасной.
Пример 2.
Использование инструмента в виде плашки (фиг.2) для подготовки к эксплуатации новой конической трубной резьбы ниппеля 15, или восстановление аналогичной резьбы после эксплуатации ниппеля осуществляется следующим образом.
Инструмент устанавливают на ниппеле 15 соосно ему и от механизма вращательно-поступательного перемещения трубы сообщают встречное винтовое относительное перемещение ниппеля и инструмента с нормативным шагом резьбы. При сближении инструмента и ниппеля в конце сопряжения резьбовых конусов, упор возникает с достижением нормативной плоскости свинчивания 12 при балансе момента сил трения и нормативного внешнего момента от механизма вращательно-
поступательного перемещения инструмента. При этом происходит калибровка и отделочно-упрочняющая обработка не только нормативной зоны l* резьбовой конической поверхности ниппеля 15, но и захватывается дополнительный участок резьбовой поверхности, находящийся за основной плоскостью 7 на ниппеле вплоть до плоскости свинчивания 13. Такая обработка обеспечивается за счет выполнения на инструменте дополнительного участка 9 длиной не менее одного шага Р резьбы. При этом возможны следующие типичные состояния обрабатываемого ниппеля.
Пример 2.1.
При обработке инструментом - плашкой (фиг.2) вновь нарезанной резьбовой поверхности детали 15 (нормативного ниппеля) при их первичном свинчивании осуществляют совмещение средних конусов и основных плоскостей 7. За счет наличия дополнительного резьбового участка 9 в рабочей зоне 6 инструмента в резьбе ниппеля происходит обработка примерно 2-3 канавок за основной плоскостью 7 резьбы. При этом внутренний конус резьбы инструмента (с образующей по вершинам профиля) корректирует канавки сбега, сохраняя на дополнительном участке 9 прямолинейность основной образующей внутреннего конуса ниппеля. Далее при повторных свинчиваниях, обработка ниппеля ведется путем калибровки канавок до получения нормативной формы ножки профиля витка для указанных дополнительных канавок на участке, следующем за основной плоскостью 7. Такой вид калибровки обеспечивает совмещение конусов плашки и ниппеля на близких к основной плоскости участках среднего и внутреннего конусов ниппеля. Кроме того, происходит отделочно-упрочняющая обработка плосковершинного микрорельефа в зонах фактических площадок контактирования резьбы за ее основной плоскостью 7, возможного в конце эксплуатации.
В результате происходит улучшение герметизации и повышение прочности, что обеспечивает безаварийную работу при удлиненном сроке эксплуатации оборудования вплоть до достижения граничных условий годности соединения по норме взаимного осевого натяга А деталей соединения.
Пример 2.2.
Для восстановления работоспособности бывшей в употреблении ниппельной резьбы на длительный срок с нормативным эксплуатационным качеством инструмент-плашку (фиг.2) первый раз навинчивают в упор с нормированным моментом сопротивления на обжатый в центре по среднему диаметру ниппель 15. При этом, наиболее плотный контакт удлиненного резьбового рабочего участка 9 инструмента с
нитками резьбы ниппеля и интенсивная калибровка происходят вблизи основной плоскости 7 резьбы ниппеля и несколько дальше, считая от его торца.
На практике именно указанный резьбовой участок (в части сторон ножки и дна канавки профиля) экстремально искажается от нормы в ходе эксплуатации оборудования за счет коррозии и солевых отложений. Восстановление нормальных условий будущего контактирования сторон ножки профиля канавки резьбы ниппеля посредством инструмента плашки является наиболее благоприятным для увеличения срока служебного ресурса оборудования. При этом может быть получено некоторое снижение средних диаметров вышеупомянутых витков резьбы ниппеля и, как следствие, уменьшение взаимного осевого натяга А в соединении. Однако, при сохранении соответствия натяга нормативу стандарта, даже у нижней границы поля допуска, некоторая утрата запаса величины натяга от его номинала может быть оправдана увеличением стабильности натяга А. Происходит упрочнение контактных поверхностей витков резьбы по краям области корсетности (от износа) резьбы ниппеля, что способствует увеличению прочности соединения к изгибающим и растягивающим нагрузкам и обеспечивает продление срока безаварийной службы оборудования (труб).