ТРУБНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ И ОБРАЗУЮЩАЯ СМАЗОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕМ
PIPE THREADED JOINT AND FORMING LUBRICATING COATING COMPOSITION FOR USE THEREIN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к трубному резьбовому соединению, используемому для соединения стальных труб, и, в частности, труб нефтепромыслового сортамента, и к способу обработки его поверхности.
Заявлен приоритет Японской Патентной Заявки № 2012-174117, поданной 6 августа 2012 года, содержание которой включено в качестве ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Трубы нефтепромыслового сортамента, такие как насосно-компрессорная труба и обсадная колонна, используемые при бурении нефтяных скважин для добычи сырой нефти или газойля, обычно соединяют (свинчивают) друг с другом трубным резьбовым соединением. В прошлом глубина нефтяных скважин составляла от 2000 до 3000 метров, но в таких глубоких нефтяных скважинах, как на современных морских нефтепромыслах, глубина может достигать от 8000 до 10000 метров. Длина труб нефтепромыслового сортамента типично составляет несколько десятков метров, и насосно-компрессорная труба, через которую течет такая текучая среда, как сырая нефть, с наружной стороны окружена многочисленными обсадными трубами, и тем самым число труб нефтепромыслового сортамента, соединенных резьбовым соединением, достигает огромной величины.
[0003] Трубные резьбовые соединения для труб нефтепромыслового сортамента в среде их применения подвергаются воздействию нагрузки, которая представляет собой растягивающее усилие в осевом направлении, обусловленное весом труб нефтепромыслового сортамента и самих соединений, сложных давлений, таких как внутреннее и внешнее давление, и геотермального тепла. Поэтому существовала потребность в трубном резьбовом соединении, способном сохранять газонепроницаемость без повреждения даже в таких жестких условиях.
[0004] Типичное трубное резьбовое соединение (также называемое специальным резьбовым соединением), используемое для связывания труб нефтепромыслового сортамента имеет конструкцию «ниппель-муфта». Ниппель, который представляет собой соединительный элемент, имеющий наружную резьбу, обычно формируют на обоих концах труб нефтепромыслового сортамента. Муфту, которая представляет собой сопряженный соединительный элемент, имеющий внутреннюю резьбу, которая навинчивается на наружную резьбу, типично формируют на внутренних поверхностях обеих сторон соединительного фитинга, который представляет собой отдельную деталь. Как показано на Фиг. 1, на наружном периферийном участке вблизи концевой поверхности на передней оконечной стороне относительно наружной резьбы ниппеля, и на внутренней периферийной поверхности базовой части внутренней резьбы муфты, соответственно, предусмотрены уплотнительные участки 4а и 4b. На торцевой поверхности передней оконечности ниппеля 1, и на самом глубоком участке муфты 2, который соответствует торцевой поверхности, предусмотрены заплечиковые участки 5а и 5b (также называемые упорным уступом). Уплотнительные участки 4а и 4b и заплечиковые участки 5а и 5b составляют ненарезанные участки металлического контакта трубного резьбового соединения, и ненарезанный участок металлического контакта и резьбовой участок образуют контактную поверхность трубного резьбового соединения. Нижеследующий Патентный Документ 1 раскрывает один пример такого специального резьбового соединения.
[0005] Для свинчивания трубного резьбового соединения один конец (ниппель) трубы нефтепромыслового сортамента вставляют в соединительный фитинг (муфту), и затягивают наружную резьбу и внутреннюю резьбу, пока заплечиковые участки ниппеля и муфты не придут в контакт между собой и не прижмутся с надлежащей моментной нагрузкой. Соответственно этому, уплотнительные участки ниппеля и муфты входят в тесный контакт друг с другом с образованием металло-металлического уплотнения, и тем самым обеспечивается газонепроницаемость резьбового соединения.
[0006] Вследствие разнообразных проблем, возникающих во время процесса опускания насосно-компрессорной трубы или обсадной колонны в ствол нефтяной скважины, однажды затянутое резьбовое соединение ослабляют, поднимают соединение из ствола нефтяной скважины, вновь затягивают его, и соединение опускают несколько раз. API (Американский нефтяной институт) рекомендует такой норматив устойчивости к заеданию, что заедание, называемое фрикционной коррозией, не происходит, и газонепроницаемость сохраняется, даже когда затяжку (свинчивание) и ослабление (развинчивание) повторяют десять раз.
[0007] Вязкий жидкий смазочный материал (консистентную смазку), который содержит порошкообразные тяжелые металлы, называемый «смазочным компаундом», заблаговременно наносят на контактную поверхность резьбового соединения всякий раз, когда проводят свинчивание, чтобы повысить устойчивость к фрикционной коррозии и газонепроницаемость. Такой смазочный компаунд предписан в инструкции API BUL 5А2.
[0008] Чтобы увеличить продолжительность удерживания смазочного компаунда или улучшить характеристики скольжения, было предложено проводить поверхностные обработки разнообразных типов, такие как азотирующая обработка, плакирование различных типов, в том числе цинкование и дисперсионная металлизация, и фосфатная химическая конверсионная обработка, контактной поверхности резьбового соединения с образованием одного или более слоев, чтобы увеличить продолжительность удерживания смазочного компаунда или улучшить характеристики скольжения. Однако, как описано ниже, возникает такая проблема, что применение смазочного компаунда оказывает вредное влияние на окружающую среду и организм человека.
[0009] Смазочный компаунд содержит большое количество порошков тяжелых металлов, таких как цинк, свинец и медь. Когда проводят свинчивание резьбового соединения, смазка, которая была нанесена, смывается или перетекает на наружную поверхность, и тем самым существует возможность того, что, в частности, токсичные тяжелые металлы, такие как свинец, могут оказывать вредное влияние на окружающую среду, и в особенности на морские живые организмы. В дополнение, процесс нанесения смазочного компаунда ухудшает условия производственной среды и производительность труда, и также существует проблема вредных воздействий на организм человека.
[0010] В недавние годы, в результате введения в силу в 1998 году Конвенции о защите морской среды в Северо-Восточной Атлантике (OSPAR Convention, Осло-Парижская конвенция), в глобальном масштабе вступили в силу строгие ограничения в области экологии, и в некоторых регионах применение смазочного компаунда уже было ограничено. Соответственно этому, во избежание вредных воздействий на окружающую среду и людей во время бурения газовых скважин и нефтяных скважин, существует потребность в резьбовом соединении, которое способно проявлять превосходную устойчивость к фрикционной коррозии без применения смазочного компаунда.
[0011] В качестве резьбового соединения, которое может быть использовано для свинчивания труб нефтепромыслового сортамента без применения смазочного компаунда, авторы настоящего изобретения предложили резьбовое соединение для стальных труб, в котором формируют вязкое жидкостное или полутвердое смазочное покрытие, в Патентном Документе 2, и резьбовое соединение для стальных труб, в котором формируют твердое смазочное покрытие, в Патентном Документе 3, соответственно.
[0012] Патентный Документ 1: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка, Первая Публикация № Н5-87275
Патентный Документ 2: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка, Первая Публикация № 2002-173692
Патентный Документ 3: PCT Международная Публикация № WO2009/072486
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] В высокогерметичном трубном резьбовом соединении класса «Премиум» («premium joint»), создаваемом уплотнительными участками 4а и 4b и заплечиковыми участками 5а и 5b, как показано на Фиг. 1, уплотнительные участки 4а и 4b ниппеля 1 и муфты 2 во время затягивания образуют участок металло-металлического уплотнения, и тем самым обеспечивается газонепроницаемость.
[0014] На Фиг. 2 показан график крутящего момента (вертикальная ось: крутящий момент, и горизонтальная ось: число оборотов) во время свинчивания резьбового соединения этого типа. Как показано в чертеже, когда происходит вращение, сначала входят в контакт друг с другом резьбовые участки ниппеля и муфты, и крутящий момент постепенно нарастает. Затем, когда входят в контакт между собой уплотнительные участки ниппеля и муфты, и степень повышения крутящего момента увеличивается. Когда заплечиковый участок на передней оконечности ниппеля и заплечиковый участок муфты приходят в контакт друг с другом и начинают взаимодействовать между собой (крутящий момент в начале этого взаимодействия обозначается как крутящий момент натяга: Ts), крутящий момент резко возрастает. Когда крутящий момент достигает предварительно заданной моментной нагрузки при затягивании, свинчивание завершают.
[0015] Однако в резьбовом соединении класса «Премиум», применяемом в скважинах, в которых прилагается высокое сжимающее напряжение или изгибающая нагрузка, свинчивание происходит с более высоким крутящим моментом, чем обычный крутящий момент, чтобы предотвратить ослабление резьбового соединения. В этом случае заплечиковый участок на торцевой поверхности ниппеля и заплечиковый участок в муфте, который приходит в контакт с заплечиковым участком ниппеля, проявляется текучесть (крутящий момент в это время называется крутящим моментом на пределе текучести: Ty), и заплечиковые участки могут подвергаться пластической деформации, как показано на Фиг. 2.
[0016] Что касается резьбового соединения, которое свинчено с высоким крутящим моментом, предпочтительно, чтобы значение «Ty-Ts» (=ΔT: сопротивление крутящему моменту на заплечике) было высоким. Однако в трубном резьбовом соединении, снабженном вязким жидкостным или полутвердым смазочным покрытием, описанным в Патентном Документе 1 и в Патентном Документе 2, значение Ty снижается по сравнению с ситуацией, в которой нанесен смазочный компаунд согласно прототипу, и тем самым величина ΔT уменьшается. В результате этого оптимальный крутящий момент не может быть определен в зависимости от допуска в степени натяга резьбы. В дополнение, оптимальный крутящий момент на Фиг. 2 представляет собой крутящий момент, при котором степень натяга, необходимая для обеспечения газонепроницаемости в уплотнительных участках, достигается для завершения свинчивания, и оптимальный крутящий момент определяют заранее для каждого внутреннего размера соединения или типа соединения.
[0017] Задача изобретения состоит в создании трубного резьбового соединения, снабженного смазочным покрытием, которое не содержит токсичный тяжелый металл, имеет превосходные характеристики устойчивости к фрикционной коррозии, газонепроницаемости и коррозионной стойкости, и способно обеспечивать высокое значение ΔT, и в котором невозможно возникновение текучести заплечикового участка, даже при свинчивании с высоким крутящим моментом.
[0018] Было обнаружено, что даже когда состав смазочного покрытия изменяют, чтобы повысить или снизить коэффициент трения, величины Ts и Ty, как правило, ведут себя одинаковым образом, и тем самым значение ΔT не варьирует в значительной мере. Например, когда коэффициент трения смазочного покрытия возрастает, то увеличивается Ty, но также повышается и Ts (что называется высоким натягом). В результате этого, в наихудшем случае, возникает ситуация, в которой заплечиковые участки не приходят в контакт между собой даже при предварительно заданном крутящем моменте затяжки, и свинчивание не завершается полностью (что называется «безупорным» отсутствием натяга).
[0019] Было обнаружено следующее. В отношении трубного резьбового соединения, снабженного смазочным покрытием, которое не содержит вредные тяжелые металлы, которые ухудшают состояние глобальной окружающей среды, когда на контактной поверхности (резьбовом участке и ненарезанном участке металлического контакта) по меньшей мере одного конструкционного элемента из ниппеля и муфты формируют смазочное покрытие с использованием композиции, которая содержит меламинцианурат (МСА, меламиновое производное циануровой кислоты) и оснóвную соль металла и ароматической органической кислоты в качестве существенного компонента, и которая дополнительно содержит один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из материала на основе сосновой смолы (в том числе сосновой живицы и ее производных), воска, металлического мыла, и порошкообразной смазки, может быть получено трубное резьбовое соединение, которое имеет превосходные характеристики устойчивости к фрикционной коррозии, газонепроницаемости и коррозионной стойкости, и высокое значение ΔT, и которое не допускает опасности возникновения безупорного состояния.
[0020] Здесь, согласно одному варианту осуществления изобретения, представлена композиция для формирования смазочного покрытия на трубном резьбовом соединении. Композиция содержит меламинцианурат (далее сокращенно обозначаемый МСА), основную соль металла и ароматической органической кислоты, и один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из материала на основе сосновой смолы, воска, металлического мыла, порошкообразной смазки.
[0021] Предпочтительно, чтобы количество МСА составляло от 0,5% по массе до 30% по массе, в расчете на совокупное количество нелетучих компонентов композиции. Здесь нелетучие компоненты представляют иные компоненты, нежели растворитель в композиции.
Предпочтительно, чтобы средний размер частиц МСА, содержащихся в композиции, составлял от 10 мкм до 40 мкм. Здесь средний размер частиц определяется как медианный диаметр (размер 50% частиц: D50) распределения частиц по размеру на объемной основе, полученный с помощью устройства для измерения распределения частиц по размеру, в котором в качестве принципа измерения используется метод дифракционного рассеяния лазерного излучения.
[0022] По соображениям характеристик нанесения во время формирования покрытия, композиция может содержать летучий органический растворитель для снижения вязкости. Предпочтительно, чтобы композиция по существу не содержала тяжелый металл, такой как свинец, который является токсичным для организма человека (более конкретно, в количестве, превышающем 1% по массе в расчете на совокупное количество нелетучих компонентов композиции).
[0023] Согласно еще одному аспекту изобретения, представлено трубное резьбовое соединение, включающее ниппель и муфту, причем оба из них имеют контактную поверхность, включающую резьбовой участок и ненарезанный участок металлического контакта. Смазочное покрытие, сформированное с использованием композиции, создают на контактной поверхности по меньшей мере одного элемента из ниппеля и муфты.
[0024] Предпочтительно, чтобы толщина пленки смазочного покрытия составляла от 10 мкм до 500 мкм.
Предпочтительно, чтобы контактная поверхность по меньшей мере одного элемента из ниппеля и муфты, которая снабжена смазочным покрытием, была подвергнута поверхностной обработке, такой как дробеструйная обработка, травление, фосфатная химическая конверсионная обработка, оксалатная химическая конверсионная обработка, боратная химическая конверсионная обработка, нанесение электролитического покрытия, механическая металлизация, или способом поверхностной обработки, выбранным из двух или более их типов, перед формированием смазочного покрытия.
[0025] В дополнение, в случае, где смазочное покрытие наносят на контактную поверхность только одного элемента из ниппеля и муфты, предпочтительно, чтобы контактная поверхность другого элемента из ниппеля и муфты была подвергнуты поверхностной обработке способом обработки поверхности.
[0026] Трубное резьбовое соединение согласно изобретению преимущественно пригодно для соединения труб нефтепромыслового сортамента.
[0027] В дополнение, согласно еще одному дополнительному варианту осуществления изобретения, представлен способ соединения многочисленных труб нефтепромыслового сортамента с использованием трубного резьбового соединения без нанесения консистентной смазки.
[0028] В основном, механизм действия смазочного покрытия, сформированного из композиции согласно изобретению, считается следующим.
Затягивание (свинчивание) трубного резьбового соединения выполняют способом, в котором вставляют ниппель в муфту, и вращают ниппель или муфту. Сначала только резьбовые участки приходят в контакт друг с другом при свинчивании между собой, и на конечном этапе свинчивания, когда начинают контактировать уплотнительные участки и заплечиковые участки, соответственно, и тем самым на уплотнительном участке и заплечиковом участке достигается предварительно заданная степень натяга, свинчивание завершают.
[0029] В смазочном покрытии, когда давление на поверхность является еще низким в начальном периоде натяга, коэффициент трения низок, и, соответственно этому, значение Ts снижается. С другой стороны, при высоком давлении на поверхности (максимальное поверхностное давление на уплотнительных участках: от 1 до 3 ГПа) непосредственно после завершения затягивания коэффициент трения возрастает, и тем самым увеличивается значение Ty. В результате повышается величина ΔT. Как было описано выше, считается, что специфическое поведение, при котором коэффициент трения является различным между скольжением во время низкого поверхностного давления и скольжением во время высокого поверхностного давления, проявляется благодаря комбинации МСА и основной соли металла и ароматической органической кислоты. Однако их химические взаимодействия еще недостаточно прояснены.
[0030] Трубное резьбовое соединение согласно изобретению может надежно проявлять превосходную устойчивость к фрикционной коррозии во время скрепления труб нефтепромыслового сортамента без нанесения консистентной смазки, такой как смазочный компаунд, которая была нанесена на резьбовое соединение. Соответственно этому, с трубным резьбовым соединением согласно изобретению можно избежать вредного воздействия на глобальную окружающую среду и организм человека, которое проявляет смазочный компаунд. В дополнение, исключается текучесть заплечикового участка во время затягивания с высоким крутящим моментом, и тем самым может быть реализован стабильный участок металло-металлического уплотнения с припуском.
В трубном резьбовом соединении согласно изобретению смазочное покрытие, сформированное на его контактной поверхности, проявляет такое же высокое значение ΔT, как покрытие из консистентной смазки, такое как смазочный компаунд, содержащий вредный тяжелый металл согласно прототипу, и тем самым можно выполнять процесс свинчивания, не вызывая текучести или заедания на заплечиковом участке даже во время затягивания с высоким крутящим моментом. В дополнение, фрикционная коррозия может быть подавлена даже в жестких условиях, таких как во время нестабильных бурильных операций в море. Кроме того, смазочное покрытие по существу не содержит вредный тяжелый металл, такой как свинец, и тем самым почти не создает нагрузки на глобальную окружающую среду. В трубном резьбовом соединении согласно изобретению предотвращается возникновение ржавчины. Соответственно этому, даже когда проводят повторяющиеся свинчивание и развинчивание, смазочное действие проявляется непрерывно, и может быть обеспечена газонепроницаемость после свинчивания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0031] Фиг. 1 представляет диаграмму, схематически иллюстрирующую ненарезанный участок металлического контакта (заплечиковый участок и уплотнительный участок) резьбового соединения класса «Премиум».
Фиг. 2 представляет типичный график крутящего момента во время свинчивания трубного резьбового соединения класса «Премиум»;
Фиг. 3 представляет диаграмму, схематически иллюстрирующую собранную конструкцию стальной трубы и соединительного фитинга во время перевозки.
Фиг. 4 представляет диаграмму, схематически иллюстрирующую резьбовое соединение класса «Премиум» в разрезе.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Далее будут подробно описаны для иллюстрации трубное резьбовое соединение и образующая смазочное покрытие композиция согласно изобретению.
[0033] Фиг. 3 схематически показывает состояние стальной трубы для труб нефтепромыслового сортамента и соединительного фитинга во время перевозки. Ниппель 1, имеющий участок 3а с наружной резьбой на внешней поверхности, формируют на обоих концах стальной трубы А, и муфту 2, имеющую участок 3b с внутренней резьбой, формируют на обоих концах соединительного фитинга В. Ниппель представляет собой нарезанный соединительный элемент на стороне, имеющей наружную резьбу, и муфта представляет собой нарезанный соединительный элемент на стороне, имеющей внутреннюю резьбу. Соединительный фитинг В может быть плотно навинчен заблаговременно на один конец стальной трубы А. Хотя это не показано, как на ниппель на другом конце стальной трубы А, так и в муфту на другом конце соединительного фитинга В, каждый из которых не навинчен, перед перевозкой устанавливают протекторы для защиты резьбовых участков, и эти протекторы удаляют перед применением резьбового соединения.
[0034] Как показано в чертеже, в типичном трубном резьбовом соединении ниппель формируют на наружной поверхности обоих концов стальной трубы, и муфту формируют на внутренней поверхности соединительного фитинга, который представляет собой отдельную деталь. Также имеется трубное резьбовое соединение интегрального типа, в котором один конец стальной трубы выполнен в виде ниппеля, и другой конец сделан в форме муфты, без применения соединительного фитинга. Трубное резьбовое соединение согласно настоящему изобретению применимо к любому из этих типов.
[0035] Фиг. 4 схематически иллюстрирует конструкцию показательного трубного резьбового соединения (далее называемого просто «резьбовым соединением»). Резьбовое соединение составлено ниппелем 1, который формируют на наружной поверхности одного конца стальной трубы А, и муфтой 2, которую формируют на внутренней поверхности соединительного фитинга В. Ниппель 1 включает участок 3а с наружной резьбой, уплотнительный участок 4а, который расположен на переднем конце стальной трубы, и заплечиковый участок 5а на торцевой поверхности. В соответствии с этой конфигурацией, муфта 2 включает участок 3b с внутренней резьбой, и уплотнительный участок 4b и заплечиковый участок 5b на внутренней стороне участка 3b с внутренней резьбой. Уплотнительный участок и заплечиковый участок образуют ненарезанный участок металлического контакта.
[0036] Резьбовые участки 3а и 3b, уплотнительные участки 4а и 4b, и заплечиковые участки 5а и 5b ниппеля 1 и муфты 2 (другими словами, ненарезанные участки металлического контакта и резьбовые участки) становятся контактными поверхностями резьбового соединения. Для контактной поверхности требуются характеристики устойчивости к фрикционной коррозии, газонепроницаемости и коррозионной стойкости. Поэтому в прототипе на контактную поверхность наносят смазочный компаунд, содержащий порошкообразный тяжелый металл, или на контактной поверхности формируют покрытие из вязкой жидкой или полутвердой смазки. Однако, как было описано выше, первый из них оказывает вредное влияние на организм человека или на окружающую среду, и в последнем случае значение ΔT является низким во время свинчивания с высоким крутящим моментом, и тем самым существует проблема в том, что заплечиковый участок может проявлять текучесть перед затягиванием.
[0037] Согласно изобретению, контактную поверхность по меньшей мере одного элемента из ниппеля и муфты покрывают смазочным покрытием. Смазочное покрытие проявляет превосходные смазочные характеристики и эффект сохранения газонепроницаемости во время затягивания резьбового соединения, подобно смазочному компаунду в прототипе. Соответственно этому, даже когда не применяют смазочный компаунд, и повторяют свинчивание и развинчивание с высоким крутящим моментом, резьбовое соединение согласно изобретению может предотвращать фрикционную коррозию резьбового соединения без проявления текучести заплечиковых участков, и может быть обеспечена газонепроницаемость после свинчивания.
[0038] Предпочтительно, чтобы подслой (то есть, контактная поверхность резьбового соединения) смазочного покрытия был шероховатым. Придание шероховатости может быть выполнено способом, в котором непосредственно делают поверхность стали шероховатой путем дробеструйной обработки или травления, или формируют имеющее шероховатую поверхность подслойное покрытие на поверхности стали перед образованием смазочного покрытия.
[0039] Смазочное покрытие может быть сформировано следующим образом. Готовят образующую смазочное покрытие композицию, которую при необходимости разбавляют подходящим летучим органическим растворителем, и композицию наносят подходящим способом, таким как нанесение кистью, набрызгивание и погружение, и затем растворитель испаряют и высушивают, сообразно обстоятельствам.
[0040] Смазочное покрытие может быть сформировано на обеих контактных поверхностях ниппеля и муфты. Однако, как показано на Фиг. 3, в случае, где ниппель и муфта свинчены во время перевозки, достаточно, чтобы смазочное покрытие было сформировано на контактной поверхности либо ниппеля, либо муфты. В этом случае, поскольку работа для обработки поверхности или нанесения при формировании смазочного покрытия является более простой в коротком соединительном фитинге, чем на длинной стальной трубе, смазочное покрытие предпочтительно формируют на контактной поверхности соединительного фитинга (как правило, контактной поверхности муфты). В случае, где ниппель и муфта не свинчены во время перевозки, предпочтительно, чтобы смазочное покрытие было нанесено на контактные поверхности как ниппеля, так и муфты, чтобы повысить антикоррозионные характеристики в комбинации со смазкой поверхности. Соответственно этому, может быть предотвращено ухудшение смазочных свойств или газонепроницаемости вследствие образования ржавчины.
[0041] В дополнение, необходимо, чтобы смазочное покрытие было нанесено на всю контактную поверхность ниппеля и/или муфты, но изобретение также включает ситуацию, в которой покрыта часть (например, только ненарезанный участок металлического контакта) контактной поверхности.
[0042] [Смазочное покрытие]
Смазочное покрытие формируют на контактной поверхности по меньшей мере одного элемента из ниппеля и муфты резьбового соединения, чтобы предотвратить фрикционную коррозию во время свинчивания стальных труб с использованием резьбового соединения, и образование ржавчины во время хранения. В изобретении для формирования смазочного покрытия, в котором значение ΔT является высоким, и тем самым заплечиковый участок не испытывает текучести даже во время тугого затягивания с высокой моментной нагрузкой при свинчивании, и которое способно предотвращать фрикционную коррозию и образование ржавчины во время хранения, смазочное покрытие содержит МСА (меламинцианурат) и основную соль металла и ароматической органической кислоты.
3
6
6
3
3
3
3
2
[0043] МСА является органической солью, образованной из меламина и циануровой кислоты, и представляет собой белый порошок, который имеет химическую формулу, выраженную как CHN·CHNO, и который считается имеющим слюдоподобную кристаллическую структуру, в которой меламин и циануровая кислота соединены водородными связями. МСА имеет столь высокую температуру термостойкости, как от 250°С до 350°С, и во время сгорания образуется негорючий газ (N), и тем самым МСА главным образом используют в качестве негалогенного огнезащитного состава, и промотора огнезащитного состава в отношении термопластичных или термореактивных смол разнообразных типов. Кроме того, МСА имеет слоистую, подобную слюде кристаллическую структуру, и тем самым МСА также применяют в качестве белой добавки в смазочные составы.
[0044] Однако на практике смазочная система с МСА не является общеизвестной, за исключением того, что МСА имеет расщепляемую слоистую кристаллическую структуру. В изобретении смазочное покрытие формируют на контактной поверхности трубного резьбового соединения в комбинации МСА и основной соли металла и ароматической органической кислоты. Соответственно этому, проявляется специфическое фрикционное поведение, при котором коэффициент трения является низким во время скольжения при низком поверхностном давлении, и коэффициент трения является высоким во время скольжения при высоком поверхностном давлении. Это поведение впервые обнаружено в изобретении, и его механизм пока не выяснен.
[0045] Что касается МСА, то в продаже на рынке имеется МСА, который подвергнут поверхностной обработке сшивающим реагентом, таким как силановый сшивающий реагент и титановый сшивающий реагент. Подвергнутый поверхностной обработке МСА также проявляет вышеописанное действие, и тем самым может быть использован таким же путем.
[0046] Количество МСА в смазочном покрытии (то есть, количество в расчете на совокупное количество нелетучих компонентов в образующей смазочное покрытие композиции) предпочтительно регулируют на величину в пределах диапазона от 0,5% по массе до 30% по массе. Когда количество составляет менее 0,5% по массе, эффект повышения ΔT становится недостаточным. С другой стороны, когда количество превышает 30% по массе, снижается текучесть смазочного покрытия, и тем самым могут быть неудовлетворительными смазочные свойства, такие как устойчивость к фрикционной коррозии. Количество МСА более предпочтительно составляет 1% по массе или более, и еще более предпочтительно 2% по массе или более. Верхний предел его предпочтительно регулируют на 20% по массе или менее.
[0047] Основная соль металла и ароматической органической кислоты повышает эффект предотвращения фрикционной коррозии и антикоррозионное действие смазочного покрытия, сформированного на контактной поверхности трубного резьбового соединения, и проявляет специфическое фрикционное поведение, при котором коэффициент трения является низким во время скольжения при низком поверхностном давлении, и коэффициент трения является высоким во время скольжения при высоком поверхностном давлении, будучи используемой в комбинации с МСА. Соответственно этому, основная соль металла проявляет действие, состоящее в повышении значения ΔT.
Как правило, применяют МСА, имеющий средний размер частиц приблизительно от 0,5 мкм до 5 мкм, из соображений диспергируемости в основе. МСА зачастую квалифицируют как твердый смазочный материал. С другой стороны, эффект улучшения смазочных характеристик недостаточно подтвержден, и в отношении условий, при которых проявляются механизм действия и эффект, и тому подобные, существуют многие неясности.
Соответственно исследованиям, проведенным авторами настоящего изобретения, когда в смазочном покрытии содержится МСА, то предпочтительным является МСА, имеющий крупный средний размер частиц, чтобы получить более удовлетворительный эффект повышения величины ΔT.
Предпочтительный средний размер частиц МСА составляет от 10 мкм до 40 мкм. Когда средний размер частиц составляет 10 мкм или менее, эффект улучшения ΔT является недостаточным. С другой стороны, когда средний размер частиц превышает 40 мкм, возможно неоднородное распределение МСА на поверхности раздела при проскальзывании во время затягивания резьбы, и тем самым эффект улучшения ΔT получается в недостаточной степени. Здесь средний размер частиц определяется как медианный диаметр (размер 50% частиц: D50) распределения частиц по размеру на объемной основе, полученный с помощью устройства для измерения распределения частиц по размеру, в котором в качестве принципа измерения используется метод дифракционного рассеяния лазерного излучения.
Механизм, по которому значение ΔT значительно повышается, когда МСА, имеющий относительно крупный средний размер частиц, используют в комбинации с основной солью металла и ароматической органической кислоты, предполагается следующим.
Основная органическая соль металла, имеющая как липофильную группу, так и гидрофильную группу, то есть, основная органическая соль металла, которая рассматривается действующей таким же образом, как поверхностно-активное вещество, выстраивается на поверхности МСА, имеющего слегка более высокую гидрофильность, и позволяет крупнозернистому МСА однородно диспергироваться в основе, такой как масляная основа. В результате этого крупнозернистый МСА наверняка вводится в поверхность раздела при проскальзывании при высоком давлении на поверхность во время затягивания резьбового соединения. Крупнозернистый МСА, который вводится в поверхность раздела при проскальзывании, проявляет действие, состоящее в повышении сопротивления истиранию поверхности раздела при проскальзывании во время процесса, будучи сжимаемым и будучи деформируемым, в то же время предотвращая фрикционную коррозию (предотвращением контакта между металлами).
[0048] Основная соль металла и ароматической органической кислоты представляет собой соль, образованную ароматической органической кислотой и избытком щелочи (щелочного металла или щелочноземельного металла). Конкретный пример ее включает основный сульфонат, основный салицилат, основный фенолят, и основный карбоксилат. Все из этих основных солей металла и ароматической органической кислоты представляют собой материалы, в которых содержащийся избыток щелочи диспергирован в масле в виде соли металла в состоянии коллоидальных мелких частиц, и которые присутствуют в форме густой смазки или в полутвердой форме при температуре окружающей среды. Основная соль металла и ароматической органической кислоты проявляет значительную антикоррозионную активность в жестких эксплуатационных условиях, и проявляет смазочное действие в результате физической абсорбции избыточных металлических солей в состоянии коллоидальных мелких частиц, или химической абсорбции органических кислотных групп, и тому подобного.
[0049] Происходящий из щелочи металл, который образует катионную часть основных солей металла и ароматической органической кислоты, может представлять собой щелочный металл или щелочноземельный металл. Однако происходящий из щелочи металл предпочтительно представляет собой щелочноземельный металл, в частности, кальций, барий или магний. Даже когда используют любой из них, может быть получен одинаковый эффект.
[0050] Что касается основных солей металла и ароматической органической кислоты, то чем выше их основность, тем больше возрастает количество тонкодисперсных частиц металлических солей, которые действуют как твердая смазка. Соответственно этому, смазочному покрытию могут быть приданы высокие смазочные характеристики (устойчивость к фрикционной коррозии). В дополнение, когда основность становится выше до определенной степени, проявляется действие в нейтрализации кислотного компонента, и тем самым также возрастает антикоррозионная активность смазочного покрытия. По этой причине предпочтительно, чтобы использовалось базовое масло, имеющее щелочное число (согласно Японскому промышленному стандарту JIS К2501) (в случае применения двух или более типов, средневзвешенное значение щелочных чисел, величину которых принимают во внимание) 50 мг КОН/г или более. Однако, когда щелочное число превышает 500 мг КОН/г, возрастает гидрофильность, и также начинают снижаться антикоррозионные характеристики, и тем самым может возникать ржавчина. Предпочтительное щелочное число составляет от 100 мг КОН/г до 500 мг КОН/г, и более предпочтительно от 250 мг КОН/г до 450 мг КОН/г.
[0051] Как было описано выше, основные соли металла и ароматической органической кислоты представляют собой материалы типа густой смазки или полутвердые материалы, и могут обеспечивать функцию основы смазочного покрытия. Соответственно этому, оснóвные соли металла могут содержаться в смазочном покрытии в количестве вплоть до 75% по массе. Предпочтительно количество составляет 70% по массе или менее. Нижний предел количества не является конкретно ограниченным, но предпочтительно составляет 20% по массе или более, и более предпочтительно 40% по массе или более.
[0052] Совокупное количество МСА и основных солей металла и ароматической органической кислоты в смазочном покрытии предпочтительно регулируют на величину от 45% по массе до 95% по массе, и более предпочтительно от 50% по массе до 90% по массе.
[0053] Образующая смазочное покрытие композиция согласно изобретению дополнительно содержит один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из материала на основе сосновой смолы, воска, металлического мыла, и порошкообразной смазки, в дополнение к существенным компонентам двух типов. В нижеследующем описании эти компоненты совокупно называются смазочным выборочным компонентом. Когда смазочное покрытие не содержит смазочный выборочный компонент по меньшей мере одного типа, выбранный из вышеуказанных компонентов, может быть не получена сцепляемость между смазочным покрытием, которое сформировано, и поверхностью базового материала, или достаточная прочность покрытия в условиях высокого поверхностного давления во время проскальзывания, и в результате становится неудовлетворительной смазочная характеристика, в частности, устойчивость к фрикционной коррозии.
[0054] Когда смазочное покрытие содержит материал на основе сосновой смолы, который представляет собой материал, выбранный из сосновой смолы и ее производного, материал на основе сосновой смолы подвергается воздействию высокого поверхностного давления на поверхности трения, и становится высоковязким, и тем самым материал на основе сосновой смолы является эффективным для повышения значения ΔT покрытия.
20
30
2
n
n+10
4
[0055] Сосновая смола представляет собой природную смолу, выделяемую из древесины деревьев рода Pinus. Сосновая смола составлена тремя элементами из углерода, водорода и кислорода. Основные компоненты выделений соснового дерева включают смоляную кислоту (канифольную кислоту), описываемую формулой СНО, и канифольную кислоту с формулой CHO. Примеры показательной смоляной кислоты включают абиетиновую кислоту, d-пимаровую кислоту и изопимаровую кислоту.
[0056] Сосновую смолу (канифоль) в основном классифицируют на талловую канифоль, живичную канифоль, и экстракционную канифоль, сообразно способу выделения, и может быть использована любая из них. В дополнение, в продаже на рынке имеются производные сосновой канифоли разнообразных сортов, такие как сложный эфир канифоли, гидрированная канифоль, полимеризованная канифоль, и диспропорционированная канифоль, и эти сосновые канифоли также могут быть применены в качестве материала на основе сосновой смолы.
[0057] Количество материала на основе сосновой смолы, включающего канифоль и ее производное, в смазочном покрытии предпочтительно регулируют на 30% по массе или менее. Когда количество превышает 30% по массе, композиция, которую используют для формирования покрытия, становится высоковязкой, и тем самым возникает проблема в том, что могут ухудшиться характеристики образования покрытия. Для получения достаточного вышеописанного эффекта от применения материала на основе сосновой смолы предпочтительно, чтобы в смазочном покрытии содержалось 5% по массе или более канифолей, и более предпочтительно от 5% по массе до 20% по массе.
[0058] Воск не только проявляет эффект предотвращения фрикционной коррозии благодаря снижению трения смазочного покрытия, но также уменьшает текучесть смазочного покрытия. Соответственно этому, воск является полезным для увеличения прочности покрытия. Может быть применен любой из животного воска, растительного воска, минерального воска, и синтетического воска. Примеры воска, которые применимы, включают пчелиный воск, спермацет (выше приведен как животный воск), Японский воск, карнаубский воск, канделильский воск, рисовый воск (вышеуказанный растительный воск), парафиновый воск, микрокристаллический воск, аморфный воск, монтанский воск, озокерит (вышеуказанный минеральный воск), окисленный воск, полиэтиленовый воск, воск из синтеза Фишера-Тропша, амидный воск, гидрированное касторовое масло (касторовый воск) (вышеуказанный синтетический воск), и тому подобные. Из них предпочтителен парафиновый воск, имеющий молекулярную массу от 150 до 500.
[0059] Количество воска в смазочном покрытии предпочтительно устанавливают на 25% по массе или менее. Когда количество превышает 25% по массе, могут снижаться адгезивность или прочность смазочного покрытия. Количество предпочтительно составляет 20% по массе или менее. Нижний предел количества воска не является конкретно ограниченным, но предпочтительно, чтобы содержалось 2% по массе или более воска для надежного получения эффекта от применения воска.
[0060] Металлическое мыло, которое представляет собой соль жирной кислоты с иным металлом, нежели щелочный металл, может содержаться в смазочном покрытии, чтобы усилить эффект предотвращения фрикционной коррозии и антикоррозионое действие смазочного покрытия. Его количество в покрытии регулируют на 30% по массе или менее. Когда количество превышает 30% по массе, могут снижаться адгезивность или прочность смазочного покрытия. Нижний предел количества металлического мыла не является конкретно ограниченным, но предпочтительно, чтобы содержалось 2% по массе или более металлического мыла для надежного получения вышеописанного эффекта.
[0061] С позиции смазочных характеристик или антикоррозионных свойств предпочтительно, чтобы жирная кислота металлического мыла представляла собой жирную кислоту, имеющую от 12 до 30 атомов углерода. Жирная кислота может быть либо насыщенной жирной кислотой, либо ненасыщенной жирной кислотой. В дополнение, жирная кислота может быть любой из смешанной жирной кислоты, полученной из натурального жира и масла, такого как говяжий жир, свиное сало, ланолин, пальмовое масло, рапсовое масло и кокосовое масло, и представлять собой индивидуальное соединение, такое как лауриновая кислота, тридециловая кислота, миристиновая кислота, пальмитиновая кислота, ланопальмитиновая кислота, стеариновая кислота, изостеариновая кислота, олеиновая кислота, элаидиновая кислота, арахиновая кислота, бегеновая кислота, эруковая кислота, лигноцериновая кислота, ланоцериновая кислота, сульфоновая кислота, салициловая кислота, и карбоновая кислота. В качестве типа металлической соли предпочтительна кальциевая соль, но могут быть применены соли других щелочноземельных металлов или соли цинка. Соль может быть либо нейтральной солью, либо основной солью.
2
2
[0062] Порошкообразная смазка повышает прочность смазочного покрытия или подавляет его текучесть при высокой температуре, в то же время с сохранением величины Ts смазочного покрытия на низком уровне, и тем самым порошкообразная смазка может улучшать устойчивость к фрикционной коррозии. В качестве порошкообразной смазки предпочтительно применяют нетоксичный и безвредный порошок, который используют в качестве твердой смазки. Примеры предпочтительной порошкообразной смазки включают графит, дисульфид вольфрама (WS), дисульфид молибдена (MoS), дисульфид олова, фторид графита, нитрид бора (BN), криолит, и PTFE (политетрафторэтилен). Один или более сортов их могут быть применены в сочетании. Графит является предпочтительным из соображений стабильности в коррозионно-агрессивной среде, в экологическом аспекте, и тому подобном.
[0063] Графит главным образом подразделяют на природный графит и искусственный графит. Природный графит является менее дорогостоящим. Природный графит классифицируют на чешуйчатый графит, плотнокристаллический графит и аморфный графит, сообразно его форме. Среди них предпочтителен аморфный графит, имеющий наименьшую кристалличность, в плане действия, состоящем в повышении ΔT, и улучшения устойчивости к фрикционной коррозии, которые сочетаются друг с другом. Кроме того, когда во внимание принимают электрические свойства или термические характеристики, более предпочтительным является аморфный графит, зольность которого составляет от 0,2% по массе до 5,5% по массе, и кристалличность составляет 98% или менее. В частности, предпочтителен аморфный графит, кристалличность которого составляет от 90% до 98%. Средний размер частиц графита предпочтительно варьирует от 1 мкм до 20 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 15 мкм.
[0064] В случае, где смазочное покрытие содержит порошкообразную смазку, ее количество предпочтительно варьирует от 0,5% по массе до 20% по массе. Когда количество составляет менее 0,5% по массе, эффект является недостаточным. Когда количество превышает 20% по массе, имеет место проблема, что может быть ухудшено действие других компонентов. В дополнение, могут снижаться однородная диспергируемость порошкообразной смазки или текучесть смазочного покрытия во время трения. Количество порошкообразной смазки более предпочтительно составляет от 0,5% по массе до 10% по массе. В дополнение, средний размер частиц порошкообразной смазки, которая повышает устойчивость к фрикционной коррозии, предпочтительно варьирует от 0,1 мкм до 10 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 5 мкм.
[0065] Иные компоненты, нежели вышеописанные компоненты, например, компоненты одного или более типов, выбранные из органических смол, и масла и добавки разнообразных сортов (например, противозадирная присадка), которые обычно используются в смазочном масле, могут быть примешаны в смазочное покрытие для повышения однородной диспергируемости порошкообразной смазки в смазочном покрытии, или для улучшения характеристик или свойств смазочного покрытия. Масла представляют смазочные компоненты (вязкий жидкий материал (в том числе густой смазочный материал)), которые могут быть использованы в смазочном масле, и которые находятся в жидкостной форме при комнатной температуре, и сами масла имеют смазочные свойства. Примеры масел, которые могут быть применены, включают синтетический сложный эфир, натуральные жиры и масла, минеральное масло, и тому подобные.
[0066] Действие органической смолы, в частности, термопластичной смолы, состоит в подавлении липкости поверхности смазочного покрытия, и в повышении толщины пленки. В дополнение, будучи введенной в поверхность раздела при проскальзывании, органическая смола действует так, что повышает устойчивость к фрикционной коррозии, или снижает трение, даже когда воспринимает высокий крутящий момент при затягивании (высокое поверхностное давление), когда участки металла приходят в контакт между собой. Соответственно этому, органическая смола может содержаться в смазочном покрытии.
[0067] Примеры термопластичной смолы включают полиэтиленовые смолы, полипропиленовые смолы, полистирольные смолы, полиметилакрилатные смолы, смолы на основе сополимеров стирола и сложного эфира акриловой кислоты, полиамидную смолу, полибутеновые (полибутиленовые) смолы, и тому подобные. Могут быть применены сополимеры или смеси их, или также могут быть использованы их сополимеры или смеси с другими термопластичными смолами. Термопластичная смола предпочтительно имеет плотность (согласно стандарту JIS K 7112) в диапазоне от 0,9 до 1,2, и температура тепловой деформации (согласно стандарту JIS K 7206) предпочтительно варьирует в диапазоне от 50°С до 150°С, чтобы легко деформироваться на поверхности трения для обеспечения возможности проявления смазочных свойств. Предпочтительными являются полибутеновые смолы, имеющие высокую вязкость при высоком поверхностном давлении.
[0068] Термопластичная смола предпочтительно находится в форме порошков с размерами частиц от 0,05 мкм до 30 мкм, и количество термопластичной смолы в покрытии предпочтительно регулируют на 10% по массе или менее.
[0069] Примеры натуральных жиров и масел, которые могут быть использованы в качестве масла, включают говяжий жир, свиное сало, ланолин, пальмовое масло, рапсовое масло, кокосовое масло, и тому подобные. В дополнение, в качестве масла также может быть применено минеральное масло (в том числе синтетическое минеральное масло), имеющее вязкость от 10 сСт до 300 сСт при температуре 40°С. Примеры синтетического сложного эфира, который может быть применен в качестве масла, включают сложный моноэфир жирной кислоты, сложный диэфир двухосновной кислоты, и сложный эфир жирной кислоты с триметилолпропаном или пентаэритритом, и тому подобные. В случае, где в смазочном покрытии содержится масло, количество масла в смазочном покрытии предпочтительно регулируют на 5% по массе или менее.
[0070] Примеры противозадирной присадки включают, но не ограничиваются таковыми, сульфированные жиры и масла, полисульфид, фосфат, фосфит, тиофосфат, и соль металла и дитиофосфорной кислоты, и тому подобные. В случае, где содержится противозадирная присадка, ее количество в смазочном покрытии предпочтительно устанавливают в пределах диапазона от 0,05% по массе до 5% по массе.
[0071] Предпочтительно, чтобы смазочное покрытие по существу не содержало вредный тяжелый металл. Смазочный компаунд, содержащий большое количество порошков мягкого тяжелого металла, такого как свинец и цинк, предназначен для подавления заедания (фрикционной коррозии) путем предотвращения контакта между металлами. В изобретении это действие создается комбинацией МСА и основной соли металла и ароматической органической кислоты, которые содержатся в смазочном покрытии, и тем самым, даже когда порошкообразный тяжелый металл не содержится вообще, покрытие может проявлять достаточные смазочные характеристики.
[0072] Смазочное покрытие формируют следующим образом. Смесь составляющих компонентов переводят в жидкое состояние добавлением растворителя и/или нагреванием, и жидкую смесь наносят на контактную поверхность по меньшей мере одного элемента из ниппеля и муфты резьбового соединения, и при необходимости высушивают покровную пленку.
[0073] Нанесение при нагревании может быть выполнено способом так называемого нанесения горячего расплава. Смесь составляющих компонентов смазочного покрытия нагревают до температуры, при которой получается пригодная для нанесения вязкость, и смесь набрызгивают на покрываемую поверхность из пульверизатора, действующего в условиях теплоизоляции. Покрываемая поверхность может быть предварительно нагрета, например, приблизительно до такой же температуры, как температура наносимого материала.
[0074] В случае выполнения нанесения при температуре окружающей среды, образующую смазочное покрытие композицию готовят добавлением летучего органического растворителя к смеси составляющих компонентов смазочного покрытия. Летучий органический растворитель отличается от базовой основы смазочного масла, и испаряется во время процесса формирования покрытия, и тем самым летучий органический растворитель по существу не остается в смазочном покрытии. Термин «летучий» предусматривает, что органический растворитель проявляет склонность испаряться, когда покрытие находится в состоянии при температуре от комнатной температуры до 150°С. Однако смазочное покрытие согласно изобретению может представлять собой вязкую жидкость или полутвердый материал, и тем самым допустимо оставление небольшого количества растворителя.
[0075] Примеры растворителя не являются конкретно ограниченными, но примеры летучего органического растворителя, который пригоден для применения в изобретении, включают нефтяные растворители, такие как растворитель, соответствующий промышленному бензину, как определено стандартом JIS K 2201, уайт-спирит, ароматическая бензино-лигроиновая фракция, ксилол, и Целлозольв. Может быть применена смесь двух или более сортов из них. Из соображений относительной простоты в обращении и быстроты испарения предпочтителен растворитель, имеющий температуру вспышки 30°С или выше, температуру начала кипения 150°С или выше, и температуру окончания кипения 210°С или выше, и тем самым может быть сокращена продолжительность высушивания.
[0076] Образующая смазочное покрытие композиция может содержать антиоксидант, консервант, и окрашивающую добавку, в дополнение к вышеописанным компонентам.
[0077] Вязкость (динамическая вязкость: единица «сантистокс, сСт», по измерению вискозиметром В-типа) образующей смазочное покрытие композиции может быть надлежащим образом подобрана добавлением органического растворителя или тому подобного, в соответствии со способом нанесения. В случае нанесения набрызгиванием или погружением при температуре окружающей среды, вязкость при температуре 40°С предпочтительно составляет 4000 сСт или менее, и в случае нанесения кистью вязкость при температуре 60°С предпочтительно составляет 1000 сСт или менее.
[0078] Толщину пленки смазочного покрытия предпочтительно регулируют в пределах диапазона от 10 мкм до 500 мкм, как описано позже. Предпочтительно, чтобы смазочное покрытие имело толщину, достаточную для закупоривания мелких зазоров, таких как зазор между вершинами профиля резьбы в контактной поверхности. Когда толщина пленки слишком мала, можно не рассчитывать на эффект поверхности проскальзывания. На этом основании толщину пленки смазочного покрытия предпочтительно регулируют на 10 мкм или более.
[0079] Контактные поверхности муфты и ниппеля входят в контакт между собой во время свинчивания, при котором необходима смазка. Соответственно этому, достаточно, чтобы только любой элемент из ниппеля и муфты был обработан для смазывания. Однако, из соображений защиты от коррозии ниппеля или муфты, которые открыты для доступа воздуха, в частности, во время хранения, предпочтительно формировать смазочное покрытие как на ниппеле, так и на муфте. Минимальная толщина пленки, необходимая для защиты от коррозии, составляет 10 мкм. Соответственно этому, в случае, где не предусмотрены отдельные антикоррозионные защитные меры (например, предварительное свинчивание ниппеля и муфты, или размещение протектора), предпочтительно, чтобы как на ниппеле, так и на муфте было сформировано покрытие с толщиной 10 мкм или более.
[0080] С другой стороны, когда смазочное покрытие является слишком толстым, смазка становится бесполезной, и это сводит на нет предохранение окружающей среды от загрязнения, что является одной из целей изобретения. С учетом этого предпочтительно, чтобы верхний предел толщины пленки смазочного покрытия был установлен приблизительно на 500 мкм. Толщина пленки смазочного покрытия более предпочтительно составляет от 15 мкм до 200 мкм. Однако, как описано позже, когда поверхностная шероховатость подслоя контактной поверхности сделана высокой, предпочтительно, чтобы толщина пленки смазочного покрытия была сделана большей, чем значение Rmax подслоя. В случае, где подслой является шероховатым, толщина пленки представляет собой среднее значение толщины пленки всего покрытия в целом, которое может быть рассчитано из площади, массы и плотности покрытия.
[0081] В общей тенденции относительно свойств смазочного покрытия, когда в определенной степени содержится масло, смазочное покрытие становится вязкой жидкостью. В случае, где количество масла мало, или масло не содержится, смазочное покрытие становится полутвердым.
[0082] [Поверхностная обработка]
В отношении трубного резьбового соединения, в котором смазочное покрытие сформировано на контактной поверхности ниппеля и/или муфты согласно изобретению, когда контактную поверхность, на которую наносится покрытие, подвергают поверхностной обработке для придания шероховатости, и тем самым шероховатость поверхности делают большей, чем от 3 мкм до 5 мкм, которая представляет собой шероховатость поверхности после шлифования, во многих случаях улучшается устойчивость к фрикционной коррозии. Соответственно этому, предпочтительно, чтобы контактная поверхность была подвергнута поверхностной обработке для придания шероховатости до формирования смазочного покрытия.
[0083] Примеры поверхностной обработки включают дробеструйную обработку воздействием материала для струйной обработки, такого как сферическая дробь или угловатый абразивный материал, и травление погружением в раствор сильной кислоты, такой как серная кислота, соляная кислота, азотная кислота, и фтористоводородная кислота, чтобы сделать поверхность шероховатой. В дополнение, примеры включают химическую конверсионную обработку, такую как фосфатная обработка, оксалатная обработка, и боратная обработка (шероховатость на поверхности кристаллов возрастает по мере роста кристаллов, которые образуются), нанесение электролитического покрытия из таких металлов, как Cu, Fe, Sn, и Zn, или их сплавов (преимущественно плакируются выпуклые участки, и тем самым поверхность является слегка более шероховатой), механическую металлизацию, способную формировать пористое плакирующее покрытие. В дополнение, в качестве одного типа нанесения электролитического покрытия, возможно композитное плакирование с образованием плакирующего покрытия, в котором твердые мелкие частицы диспергированы в металле, в качестве такого способа формирования более шероховатой поверхности, что твердые мелкие частицы выступают из плакирующего покрытия.
[0084] Любой способ поверхностной обработки контактной поверхности предпочтительно выполняют таким образом, что величина шероховатости Rmax поверхности, полученная приданием шероховатости в поверхностной обработке, становится составляющей от 5 мкм до 40 мкм. Когда Rmax составляет менее 5 мкм, прочность сцепления со смазочным покрытием или характеристики удержания покрытия могут быть недостаточными. С другой стороны, когда Rmax превышает 40 мкм, возрастает трение, и тем самым, будучи подвергнутым высокому поверхностному давлению, покрытие не может противостоять сдвиговой нагрузке и сжимающему усилию. Поэтому покрытие может разрушаться или отслаиваться. Поверхностная обработка для придания шероховатости может быть выполнена в сочетании двух или более типов обработки, и в качестве способа ее обработки может быть использован способ, известный из прототипа.
[0085] С позиции адгезионной способности смазочного покрытия, поверхностная обработка способна формировать пористое покрытие, то есть, предпочтительны химическая обработка и механическая металлизация. В этом случае толщину пленки пористого покрытия предпочтительно регулируют на 5 мкм или более, чтобы обеспечить значение Rmax пористого покрытия на уровне 5 мкм или более. Верхний предел толщины пленки не является конкретно ограниченным, но верхний предел, как правило, составляет 50 мкм или менее, и предпочтительно 40 мкм или менее. Когда смазочное покрытие формируют на пористом покрытии, образованном поверхностной обработкой, прочность сцепления со смазочным покрытием возрастает благодаря «анкерному эффекту». В результате этого, даже когда многократно повторяют свинчивание и развинчивание, твердое смазочное покрытие практически не отслаивается, и тем самым эффективно предотвращается контакт между металлами. В результате этого дополнительно улучшаются устойчивость к фрикционной коррозии, газонепроницаемость и коррозионная стойкость.
[0086] Примеры в особенности предпочтительной поверхностной обработки для формирования пористого покрытия включают образование покрытия из цинка или железо-цинкового сплава (пористого металлического покрытия) с помощью фосфатной химической конверсионной обработки (обработки с использованием фосфата марганца, фосфата цинка, фосфата железа-марганца, или фосфата цинка-кальция), и механическую металлизацию. С позиции адгезионной способности, предпочтительно покрытие из фосфата марганца, и по соображениям коррозионной стойкости более предпочтительным является покрытие из цинка или железо-цинкового сплава, при котором можно ожидать протекторной защиты благодаря цинку.
[0087] Фосфатная химическая конверсионная обработка может быть выполнена погружением или набрызгиванием согласно общеизвестному методу. В качестве раствора для химической обработки может быть использован кислотный фосфатный обрабатывающий раствор для применения в материале для общей гальванизации. Например, в качестве примера может быть приведена химическая конверсионная обработка раствором на основе фосфата цинка, содержащим от 1 г/л до 150 г/л фосфат-ионов, от 3 г/л до 70 г/л ионов цинка, от 1 г/л до 100 г/л нитрат-ионов, и от 0 г/л до 30 г/л ионов никеля. В дополнение, для химической конверсионной обработки может быть использован раствор на основе фосфата марганца, который обычно применяют в резьбовом соединении. Температура раствора может варьировать от температуры окружающей среды до 100°С, и продолжительность обработки может составлять до 15 минут, в зависимости от желательной толщины пленки. Чтобы ускорить формирование покрытия, перед фосфатной обработкой на обрабатываемую поверхность может быть нанесен водной раствор для кондиционирования поверхности, содержащий коллоидальный титан. После фосфатной обработки обработанную поверхность предпочтительно промывают холодной или теплой водой перед высушиванием.
[0088] Механическая металлизация может быть выполнена способом механического плакирования, в котором обеспечивают возможность столкновений частиц с покрываемым материалом внутри вращающегося барабана, или способом струйного плакирования, в котором обеспечивают возможность столкновений частиц с покрываемым материалом с использованием дробеструйного устройства. В настоящем изобретении достаточным является выполнение плакирования только на контактной поверхности, и тем самым предпочтительно использовать струйное плакирование, способное производить локализованное нанесение плакирующего покрытия.
[0089] Например, покрываемую контактную поверхность обрабатывают выбрасываемым со струей материалом, который составлен порошком, в котором сердцевина на основе железа покрыта цинком или цинковым сплавом. Количество цинка или цинкового сплава в частицах предпочтительно варьирует в диапазоне от 20% по массе до 60% по массе, и размер частиц предпочтительно составляет величину в диапазоне от 0,2 мм до 1,5 мм. При струйной обработке к контактной поверхности базового корпуса прилипает только цинк или цинковый сплав, который представляет собой покровный слой частиц, и на контактной поверхности образуется пористое покрытие из цинка или цинкового сплава. Струйное плакирование может формировать пористое плакирующее металлическое покрытие с хорошей адгезионной способностью на поверхности стали, независимо от качества стального материала.
[0090] Толщина слоя цинка или цинкового сплава, сформированного механической металлизацией, предпочтительно составляет от 5 мкм до 40 мкм, из соображений как коррозионной стойкости, так и адгезионной способности. Когда толщина является меньшей 5 мкм, достаточная коррозионная стойкость не обеспечивается, и когда толщина превышает 40 мкм, может ухудшаться прочность сцепления со смазочным покрытием.
[0091] Вышеописанная поверхностная обработка может быть выполнена в комбинации двух или более ее типов.
Хотя эффект придания шероховатости очень мал, когда в качестве еще одной поверхностной обработки проводят специальное однослойное или многослойное электролитическое осаждение, прочность сцепления между смазочным покрытием и подслоем возрастает, и тем самым может быть повышена устойчивость трубного резьбового соединения к фрикционной коррозии.
[0092] В качестве такой поверхностной обработки смазочного покрытия может быть приведен пример электролитического осаждения таких металлов, как Cu, Sn, и Ni, или их сплавов. Плакирующее покрытие может представлять собой однослойное плакирующее покрытие, или многослойное плакирующее покрытие из двух или более слоев. Конкретные примеры электролитического осаждения такого рода включают Cu-плакирование, Sn-плакирование, и Ni-плакирование, а также плакирование Cu-Sn-сплавом, плакирование Cu-Sn-Zn-сплавом, двухслойное плакирование с нанесением медного (Cu) плакирующего покрытия и оловянного (Sn) плакирующего покрытия, и трехслойное плакирование с образованием никелевого (Ni) плакирующего покрытия, медного (Cu) плакирующего покрытия и оловянного (Sn) плакирующего покрытия, которые представлены в Японской Нерассмотренной Патентной Заявке, Первая Публикация № 2003-74763. В трубном резьбовом соединении, сформированном из стали, имеющей содержание Cr свыше 5%, может быть происходить значительная фрикционная коррозия, и тем самым предпочтительно выполнять однослойное плакирование из Cu-Sn-сплава или Cu-Sn-Zn-сплава, или многослойное плакирование металлами в комбинации двух или более слоев плакирующего покрытия, выбранного из Cu-плакирования, Sn-плакирования и Ni-плакирования, например, двухслойное плакирование с нанесением медного (Cu) плакирующего покрытия и оловянного (Sn) плакирующего покрытия, двухслойное плакирование с нанесением никелевого (Ni) плакирующего покрытия и оловянного (Sn) плакирующего покрытия, или двухслойное плакирование с нанесением никелевого (Ni) плакирующего покрытия и плакирующего покрытия из Cu/Sn/Zn-сплава, и трехслойное плакирование с образованием никелевого (Ni) плакирующего покрытия, медного (Cu) плакирующего покрытия и оловянного (Sn) плакирующего покрытия, в качестве поверхностной обработки.
[0093] Такое плакирование может быть выполнено согласно способу, раскрытому в Японской Нерассмотренной Патентной Заявке, Первая Публикация № 2003-74763. В случае многослойного плакирования покровную пленку (как правило, никелевое (Ni) плакирующее покрытие) самого нижнего слоя предпочтительно формируют в виде очень тонкого покровного слоя, имеющего толщину пленки менее 1 мкм, который называется первичным подслоем. Толщину пленки (в случае многочисленного плакирования, совокупная толщина пленки) плакирующего покрытия предпочтительно регулируют на величину в пределах диапазона от 5 мкм до 15 мкм.
[0094] [Поверхностная обработка сопряженной детали]
Когда на контактной поверхности одного элемента из ниппеля и муфты (например, муфты) трубного резьбового соединения формируют твердое покрытие согласно настоящему изобретению, контактная поверхность другого элемента (например, ниппеля), которая не покрыта твердым покрытием, может быть оставлена в необработанном состоянии, но предпочтительно подвергать другой элемент вышеописанной поверхностной обработке для придания шероховатости контактной поверхности. То есть, создание поверхностной шероховатости может быть выполнено с использованием способа, выбранного из дробеструйной обработки, травления, фосфатной химической конверсионной обработки, оксалатной химической конверсионной обработки, боратной химической конверсионной обработки, нанесения электролитического покрытия, механической металлизации, и комбинации двух или более из этих способов. В результате этого, когда один элемент свинчивают с другим элементом, покрытым твердым покрытием согласно изобретению, контактная поверхность другого элемента, не имеющая твердого покрытия, проявляет удовлетворительные характеристики удержания твердого покрытия благодаря анкерному эффекту, обусловленному поверхностной шероховатостью, повышая тем самым устойчивость трубного резьбового соединения к фрикционной коррозии.
[0095] Для придания антикоррозионных свойств, при необходимости после поверхностной обработки может быть сформировано известное антикоррозионное покрытие, такое как покрытие из УФ-отверждаемой смолы или термопластичной смолы. Предохранением контактной поверхности от воздействия воздуха с помощью этого антикоррозионного покрытия, даже когда контактная поверхность во время хранения оказывается в контакте с водой при температуре ниже точки росы, предотвращается возникновение ржавчины на контактной поверхности.
[0096] Поскольку нет какого-то конкретного ограничения в отношении поверхностной обработки контактной поверхности другого элемента, контактная поверхность может быть подвергнута иной поверхностной обработке. Например, могут быть сформированы твердые покрытия разнообразных типов (например, твердое смазочное покрытие), отличные от покрытия согласно изобретению.
ПРИМЕРЫ
[0097] Эффекты изобретения будут иллюстрированы нижеследующими Примерами и Сравнительными Примерами. В нижеследующем описании контактная поверхность, включающая резьбовой участок и ненарезанный участок металлического контакта ниппеля, называется «поверхностью ниппеля», и контактная поверхность, включающая резьбовой участок и ненарезанный участок металлического контакта муфты, называется «поверхностью муфты». Шероховатость поверхности обозначается Rmax. В дополнение, «%» представляет «% по массе», если не оговорено иное.
[0098] Поверхностную обработку, показанную в Таблице 2, выполняли в отношении поверхности ниппеля и поверхности муфты резьбового соединения класса «Премиум» VAM TOP (зарегистрированный торговый знак) (наружный диаметр: 17,78 см (7 дюймов), толщина 1,036 см (0,408 дюйма), выполненных из Cr-Mo-стали А или 13%Cr-стали В, показанных в Таблице 1. Затем на поверхности ниппеля и поверхности муфты, которые были подвергнуты поверхностной обработке, сформировали смазочное покрытие иллюстрированным способом нанесения с использованием композиции, показанной в Таблице 3 (МСА и основная соль металла и ароматической органической кислоты иллюстрированы как существенный компонент, и материал на основе сосновой смолы, воск, металлическое мыло и порошкообразная смазка иллюстрированы как выборочный компонент). Соответственно этому, смазочное покрытие, сформированное на поверхности ниппеля и поверхности муфты, имело одинаковый состав.
[0099] Смазочное покрытие сформировали следующими несколькими способами нанесения, за исключением Сравнительного Примера 1 с использованием смазочного компаунда, причем все смазочные покрытия имеют одинаковую толщину 50 мкм.
[0100] (1) Способ набрызгивания при температуре окружающей среды: образующую смазочное покрытие композицию, приготовленную добавлением 30 частей по массе летучего органического растворителя (уайт-спирит: ExxsolTM D40, производства фирмы ExxonMobil Chemical) к 100 частям по массе в целом компонентов смазочного покрытия, имеющих предварительно заданный состав, для снижения вязкости, нанесли набрызгиванием при температуре окружающей среды, и оставили для испарения органического растворителя в результате естественного высыхания с образованием смазочного покрытия;
(2) Способ набрызгивания при нагревании: образующую смазочное покрытие композицию, которая содержала компоненты смазочного покрытия, имеющие предварительно заданный состав, и не содержала растворитель, нагрели до температуры 130°С для получения жидкости с низкой вязкостью, и нанесли набрызгиванием из пульверизатора, обеспеченного теплоизоляцией, на поверхность ниппеля или поверхность муфты, которая была предварительно нагрета до температуры 130°С с использованием индукционного нагрева. Затем полученную нанесенную композицию охладили с образованием смазочного покрытия. Это представляет собой способ нанесения горячего расплава.
[0101] Материалы, использованные для получения образующей смазочное покрытие композиции, являются следующими.
МСА: MC-4000, производства фирмы NISSAN CHEMICAL INDUSTRIES, LTD. (средний размер частиц: 14 мкм);
материал на основе сосновой смолы: сложный эфир канифоли (сложноэфирная смола (ester gum H)), производства фирмы Arakawa Chemical Industries, Ltd.;
основная соль металла и ароматической органической кислоты: основный сульфонат кальция (Са) (Calcinate C400CLR)(щелочное число: 400 мг КОН/г), производства фирмы CHEMTURA Corporation.
Металлическое мыло: стеарат кальция (Са) (производства фирмы DIC Corporation);
воск: парафиновый воск, производства фирмы NIPPON SEIRO CO., LTD;
графит: аморфный графит, графитовый порошок, производства фирмы Nippon Graphite Industries, Ltd., blue P (зольность: 3,79% по массе, кристалличность: 96,9%, средний размер частиц: 7 мкм);
фторид графита: CEFBON, производства фирмы Central Glass Co., Ltd
[0102] Из образованных поверхностной обработкой покрытий, использованных в примерах, покрытие из фосфата марганца выполняют погружением в раствор фосфата марганца для химической конверсионной обработки (PALPHOS M1A, производства фирмы Nihon Parkerizing Co., Ltd., далее должен применяться тот же самый) при температуре от 80°С до 95°С в течение 10 минут, и покрытие из фосфата цинка выполняют погружением в раствор фосфата цинка для химической конверсионной обработки (PALBOND 181X, производства фирмы Nihon Parkerizing Co., Ltd., далее должен применяться тот же самый) при температуре от 75°С до 85°С в течение 10 минут.
[0103] Плакирующий сплав, использованный в поверхностной обработке, представлял собой плакирующий Cu-Sn-Zn-сплав, имеющий состав (в массовом отношении) Cu:Sn:Zn=60:35:5.
[0104] Поверхностная шероховатость R, показанная в Таблице 2, представляет собой в точности Rz, и была измерена на приборе Surtronic 10 производства фирмы Taylor Hobson Ltd. Значение Rz после отделки шлифованием в каждом случае составляло 3 мкм.
[0105]
Таблица 1Состав стали резьбового соединения (% по массе: остальное количество включает Fe и неизбежные загрязняющие примеси)
Обозначение
C
Si
Mn
P
S
Cu
Ni
Cr
Mo
A
0,25
0,25
0,8
0,02
0,01
0,04
0,05
0,95
0,18
B
0,19
0,25
0,8
0,02
0,01
0,04
0,1
13
0,04
[0106]
Таблица 2
No.
Поверхностная обработка
Обозначение стали
Ниппель
Муфта
Пример 1
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
Пример 2
1. Отделка шлифованием (R=2)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Ni-Подслой + Cu-плакирование (t=8) (R=3)
B
Пример 3
1. Отделка шлифованием (R=2)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Ni-Подслой + плакирование Cu-Sn-Zn-сплавом (t=8) (R=2)
B
Пример 4
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
Пример 5
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
Пример 6
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
Сравнительный пример 1
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
Сравнительный пример 2
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=10) (t=12)
A
Сравнительный пример 3
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат цинка (R=8) (t=12)
1. Отделка шлифованием (R=3)2. Фосфат марганца (R=12) (t=15)
A
R: поверхностная шероховатость (мкм)t: толщина (мкм)
[0107]
[0108] Как можно видеть из Таблицы 2 и Таблицы 3, поверхностная обработка и обработка с образованием смазочного покрытия в каждом из примеров и сравнительных примеров были следующими.
[0109] (Примеры 1, 4, и 6, и Сравнительные Примеры 2 и 3)
В отношении трубного резьбового соединения, образованного из Cr-Mo-стали, имеющей показанный в Таблице 1 состав А, марганец-фосфатное покрытие (Rz: 12 мкм), имеющее толщину 15 мкм, сформировали на поверхности муфты после отделки шлифованием, и затем на нем сформировали смазочное покрытие, имеющее толщину пленки 50 мкм и состав, указанный в каждом из Примеров и Сравнительных Примеров Таблицы 3, с нанесением способом набрызгивания при температуре окружающей среды. Цинк-фосфатное покрытие (Rz: 8 мкм), имеющее толщину 12 мкм, сформировали на поверхности ниппеля после отделки шлифованием, и затем на нем таким же образом, как на поверхности муфты, сформировали смазочное покрытие.
[0110] (Пример 2)
В отношении трубного резьбового соединения, образованного из 13%Cr-стали, имеющей показанный в Таблице 1 состав В, сначала на поверхности муфты электролитическим осаждением после отделки шлифованием сформировали никелевый (Ni) первичный подслой, и затем на нем сформировали медное (Cu) плакирующее покрытие, имеющее толщину 7 мкм (общая толщина плакирующего покрытия: 8 мкм). Значение Rz плакированной поверхности составляло 2 мкм. Смазочное покрытие, имеющее толщину пленки 50 мкм и состав, указанный в Примере 2 Таблицы 3, сформировали на плакирующем покрытии нанесением способом набрызгивания при температуре окружающей среды. Смазочное покрытие, имеющее толщину 50 мкм, сформировали на поверхности ниппеля (Rz=2) таким же образом, как на поверхности муфты.
[0111] (Пример 3)
В отношении трубного резьбового соединения, образованного из 13%Cr-стали, имеющей показанный в Таблице 1 состав В, сначала на поверхности муфты электролитическим осаждением после отделки шлифованием сформировали никелевый (Ni) первичный подслой, и затем на нем сформировали плакирующее покрытие из Медно-Олово-Цинкового сплава (Rz: 2 мкм) (общая толщина плакирующего покрытия: 8 мкм). На плакирующем покрытии сформировали смазочное покрытие, имеющее толщину пленки 50 мкм и состав, указанный в Примере 3 Таблицы 3. Смазочное покрытие сформировали на поверхности ниппеля (Rz=2) таким же образом, как на поверхности муфты.
[0112] (Пример 5)
В отношении трубного резьбового соединения, образованного из Cr-Mo-стали, имеющей показанный в Таблице 1 состав А, марганец-фосфатное покрытие (Rz: 12 мкм), имеющее толщину 15 мкм, сформировали на поверхности муфты после отделки шлифованием, и затем на нем сформировали смазочное покрытие, имеющее толщину пленки 50 мкм и состав, указанный в Примере 5 Таблицы 3, с нанесением способом набрызгивания при нагревании. Цинк-фосфатное покрытие (Rz: 8 мкм), имеющее толщину 12 мкм, сформировали на поверхности ниппеля после отделки шлифованием, и затем на нем таким же образом, как на поверхности муфты, сформировали смазочное покрытие.
[0113] (Сравнительный Пример 1)
2
В отношении трубного резьбового соединения, образованного из Cr-Mo-стали, имеющей показанный в Таблице 1 состав А, марганец-фосфатное покрытие (Rz: 12 мкм), имеющее толщину 15 мкм, сформировали на поверхности муфты после отделки шлифованием. На марганец-фосфатное покрытие нанесли смазочный компаунд вязкожидкостного типа согласно API-стандарту (общее количество, нанесенное на ниппель и муфту, составляло 50 г, и совокупная площадь составляла приблизительно 1400 см). Поверхность ниппеля оставили такой, какой она была после отделки шлифованием, и затем на поверхность ниппеля нанесли вышеуказанный смазочный компаунд.
[0114] В отношении трубного резьбового соединения, в котором поверхностную обработку выполняли как на поверхности ниппеля, так и на поверхности муфты, и на них формировали смазочное покрытие, проводили испытание на многократное повторение свинчивания и развинчивания, чтобы оценить устойчивость к фрикционной коррозии. В испытание на многократное повторение свинчивания и развинчивания, затягивание резьбового соединения выполняли со скоростью навинчивания 10 об/мин и крутящим моментом затягивания 20 кH·м, и после развинчивания исследовали состояние фрикционной коррозии поверхности ниппеля и поверхности муфты. В случае, где царапины от заедания, обусловленного затягиванием, были несущественными, и после зачистки было возможным повторное свинчивание, свинчивание и развинчивание продолжали после зачистки. Число циклов свинчивания устанавливали на максимально 10-кратное. Результаты испытания (число раз повторного свинчивания, в котором затягивание было возможным без возникновения заедания) показаны в Таблице 4.
[0115] В дополнение, что касается еще одного образца соответственных трубных резьбовых соединений, построили график крутящего момента, как показано в Фиг. 2, в испытании на превышение крутящего момента, в котором свинчивание выполняли с приложением крутящего момента затягивания 68 кH·м при скорости свинчивания 2 об/мин, и значения Ts (крутящий момент натяга), Ty (крутящий момент на пределе текучести) и ΔT (=Ty-Ts, сопротивление крутящему моменту на заплечике) измеряли на графике крутящего момента.
[0116] Ts представляет крутящий момент, когда начинается сопряжение заплечиковых участков, более конкретно, крутящий момент, когда изменение крутящего момента, которое проявляется после сопряжения заплечиковых участков, начинает выходить на линейный участок (область упругой деформации), принимали за Ts. С другой стороны, Ty представляет крутящий момент, когда начинается пластическая деформация, более конкретно, крутящий момент, когда линейность изменения крутящего момента исчезла по мере вращения после достижения Ts, и значение, которое начинает отклоняться от линейного участка, принимали на Ty. Что касается ΔT (=Ty-Ts), то результаты, которые были получены оценкой относительных значений ΔT в других примерах после того, как величина ΔT, полученная со смазочным компаундом в прототипе, как показано в Сравнительном Примере 1 Таблицы 3, была принята за 100, показаны в Таблице 4.
[0117]
Таблица 4
Номер
Результат испытания на свинчивание и развинчивание (число циклов, при котором заедание не возникает)
Отношение ΔT (=Ty-Ts); Отношение, когда значение в Сравнительном Примере 1 принято за 100 (%)
Примеры
1
10 раз
143
2
8 раз
155
3
10 раз
141
4
10 раз
124
5
10 раз
135
6
10 раз
108
Сравнительные примеры
1
10 раз
100 (стандарт)
2
6 раз
57
3
3 раза
76
[0118] Как показано в Таблице 4, в Примерах 1-6, в испытании на свинчивание и развинчивание, возникновение заедания не было обнаружено при 10-кратном свинчивании и развинчивании, за исключением Примера 2, в котором количество МСА было выше 30%, и были получены весьма удовлетворительные результаты. В Примере 2, в испытании на свинчивание и развинчивание, заедание возникало во время девятого свинчивания, и поэтому испытание было прекращено. Однако, как правило, когда число циклов свинчивания и развинчивания составляет пять или более, при практическом применении не возникает никаких проблем, и тем самым трубное резьбовое соединение Примера 2 также применимо в достаточной мере.
[0119] Сравнением результатов Примеров 1 и 2 было подтверждено, что, когда МСА содержится в количестве более 30% по массе, существует возможность снижения устойчивости к фрикционной коррозии.
[0120] В отношении значения ΔT в испытании на превышение крутящего момента, относительное значение ΔT, когда величина ΔT Сравнительного Примера 1, в котором использовали смазочный компаунд, была принята за 100 (далее называемая просто «относительным значением ΔT»), была выше 100% в каждом случае, и совершенно понятно, что в трубных резьбовых соединениях примеров затягивание с высоким крутящим моментом было возможным без возникновения текучести заплечикового участка.
[0121] Относительное значение ΔT было очень высоким вплоть до 124% или более, за исключением Примера 6. Причиной того, почему относительное значение ΔT в Примере 6 составляло 108%, более низкое, чем в других примерах, может быть малое, 0,8%, количество МСА. Соответственно этому, для улучшения характеристик затягивания с высоким крутящим моментом предпочтительным является количество МСА на уровне 1% или более, и более предпочтительно 2% или более. Как можно понять из результатов примеров, когда количество МСА увеличивается, может возрастать относительное значение ΔT.
[0122] Примером 5 было подтверждено, что, даже когда способ нанесения во время формирования смазочного покрытия представляет собой либо способ набрызгивания при температуре окружающей среды, либо способ набрызгивания при нагревании, может быть получен эффект изобретения.
[0123] С другой стороны, как показано в Сравнительных Примерах 2-3, можно понять, что, когда смазочное покрытие не содержит любой компонент из МСА и основной соли металла и ароматической органической кислоты, значительно ухудшается устойчивость к фрикционной коррозии, и относительное значение ΔT является гораздо меньшим 100, и тем самым не только устойчивость к фрикционной коррозии, но и характеристики затягивания с высоким крутящим моментом значительно ухудшаются по сравнению со смазочным компаундом.
[0124] Для исследования антикоррозионных характеристик трубного резьбового соединения, изготовленного в Примерах 1-6, поверхностную обработку и формирование смазочного покрытия, как показано для муфты в Таблице 2, выполняли в отношении контрольного испытательного образца (70 мм ×150 мм ×1,0 мм (толщина)), который был приготовлен отдельно. Этот испытательный образец подвергли испытанию на стойкость к соляному туману (согласно стандарту JIS Z2371 (соответственно стандарту ISO 9227), температура: 35°С, 1000 часов), и испытанию на влагостойкость (согласно стандарту JIS К5 600-7-2 (соответственно стандарту ISO 6270), температура: 50°С, относительная влажность: 98%, 200 часов), и исследовали, возникала ли или нет ржавчина. В результате на трубных резьбовых соединениях Примеров 1-6 было подтверждено, что ржавчина не возникала ни в каком испытании.
[0125] В дополнение, трубные резьбовые соединения соответственных примеров проверили в испытании на газонепроницаемость или испытании на эксплуатационную пригодность в реальном бурильном оборудовании, причем все соединения показали удовлетворительный результат. Поскольку значение ΔT является более высоким, чем величина для смазочного компаунда, используемого в прототипе, подтверждено, что, даже когда повышается крутящий момент затягивания, свинчивание может быть стабильно выполнено.
[0126] Выше был описан вариант исполнения, который рассматривался как наиболее предпочтительный в это время вариант исполнения, но изобретение не ограничивается раскрытым вариантом осуществления, как упомянуто выше. Модификации могут быть сделаны в пределах диапазона, не выходящего за рамки технической идеи, которая может быть выведена из содержания пунктов патентной формулы и описания, и должно быть понятно, что резьбовое соединение, выполненное с модификацией, должно входить в техническую область изобретения.
[Описание кодовых номеров позиций и условных обозначений]
[0127]
А: Стальная труба
В: Соединительный фитинг
1: Ниппель
2: Муфта
3а: Участок с наружной резьбой
3b: Участок с внутренней резьбой
4а: Уплотнительный участок на стороне ниппеля
4b: Уплотнительный участок на стороне муфты
5а: Заплечиковый участок на стороне ниппеля
5b: Заплечиковый участок на стороне муфты.