СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ
METHOD OF SEALING THREADED PIPE JOINTS

Изобретение относится к производству труб и может быть использовано для герметизации резьбовых соединений любых труб, в том числе используемых при строительстве нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, а также при формировании трубных колонн и трубопроводов.
Конструктивные и технологические зазоры в резьбовых соединениях обсадных труб под воздействием избыточного внутреннего или наружного давления приводят к нарушению герметичности соединений и проницаемости их для среды. Для снижения проницаемости применяют различные заполнители конструктивных и технологических зазоров. Заполнители одновременно выполняют функцию смазок, предупреждающих заедание трущихся поверхностей при свинчивании резьбовых соединений.
Наиболее распространены заполнители в виде различных смазок на жировой или полимеризующейся основе.
Смазки на жировой основе представляют собой смесь металлического и графитового порошков, равномерно распределенных в жировой основе, составляющей 30-40 вес.% (см. изобретения по патентам РФ №2136722 от 24.08.98 г., №2032712 от 27.03.90 г., №2032714 от 27.03.90 г. и заявку на изобретение №95109583 от 07.06.95 г.).
Однако исследования в лабораторных и реальных условиях показали, что использование смазок на жировой основе не гарантирует требуемой герметичности соединений. Объясняется это следующим. Смазки должны иметь низкую вязкость в момент свинчивания резьбовых соединений и высокую вязкость при нагружении соединения избыточным давлением. При недостаточной вязкости смазка вымывается рабочей средой при повышенных температурах и давлении, что приводит к разгерметизации соединения. Противоречивость подобных требований к свойствам смазки затрудняет разработку качественных герметизирующих смазок на жировой основе.
Смазки на полимеризующихся основах в большей степени удовлетворяют требованиям герметизации (см. заявку на изобретение №93041784 от 20.08.93 г.). Подобные герметики, как правило, состоят из эпоксидного компаунда, отвердителя и наполнителя. В качестве твердых компонентов используются графитовый порошок, свинцовый порошок, цинковая пыль и медная пудра. В качестве наполнителя известен металлон. В указанном выше герметике в качестве наполнителя использован мелкодисперсный фторопластовый материал (политетрафторэтилен).
Резьбовые соединения с такой смазкой практически не разъемны, что создает технологические сложности при развинчивании подобных соединений в процессе профилактики (необходим нагрев до 300°C). Введение в состав герметика политетрафторэтилена снижает трение при свинчивании резьбовых соединений. Однако это не позволяет сохранить целостность герметизирующего слоя, происходит его механическое разрушение.
К общим недостаткам смазок на полимеризующихся основах относится необходимость подготовки поверхности резьбы (очистку и обезжиривание), токсичность, невозможность автоматизации и пр., что затрудняет работу в полевых условиях.
Известен также способ герметизации резьбовых соединений путем металлизации - покрытия поверхности изделия металлами и сплавами для получения физико-химических и механических свойств, отличных от исходного (металлизируемого) материала. В качестве покрытия применяют алюминий, медь, свинец, цинк, хром, серебро, золото, бронзу, латунь и пр. (см., например, патенты на изобретение №2049150 от 05.03.94 г. и №2162928 от 25.12.98 г.). В современной практике широко применяется гальванический метод нанесения металла на резьбу обсадных труб.
Способ металлизации очень дорогой и не исключает применения уплотнительных смазок на жировой или полимеризующейся основе.
Следующий известный способ герметизации резьбовых соединений - применение фторопластовых уплотнительных материалов в виде ленты, которой обматывают резьбу труб перед навинчиванием на нее муфты (см. заявки на изобретения РФ №93010518 от 01.03.93 г. и №93041784 от 20.08.93 г.). В первом случае лента выполнена из конденсаторной пленки на основе политетрафторэтилена. Процедура уплотнения заключается в обинтовывании охватываемого элемента по резьбовой поверхности с обтяжкой витков по профилю резьбы.
Известен способ, приведенный в патенте на изобретение №2156911 от 21.12.98 г. Согласно этому способу герметизацию производят путем нанесения газодинамическим напылением на конечные граничные зоны резьбовых участков композиционного покрытия в виде порошков металлов или их смесей с керамическими материалами, ускоренных с помощью сверхзвукового потока газа. Перед напылением производят подготовку соответствующих поверхностей путем газодинамической бомбардировки порошком более высокой твердости, чем твердость обрабатываемой поверхности.
Данный способ не обеспечивает должной степени герметизации, т.к. порошки металлов или их смеси с керамическими материалами имеют высокий коэффициент трения и не обладают пластичностью и текучестью под давлением.
Наиболее близким решением к предлагаемому способу можно считать способ по патенту РФ на изобретение №2227240 от 4.10.2002 г., который включает заполнение межрезьбового пространства герметизирующим материалом. В качестве герметизирующего материала используют композицию графита и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, которую наносят на резьбовую поверхность методом порошкового напыления в электростатическом поле.
Герметизирующий материал имеет следующий состав, мас.ч.:
Сополимер ТФЭ с ГФП 90-95
Графит 5-10
Толщина напыляемого слоя составляет от 20 до 150 мкм.
Однако, как показали испытания, резьбовые соединения с герметизирующим покрытием по патенту №2227240 выдерживают всего 2-3 свинчивания, что обусловлено недостаточно высокой адгезией покрытия к металлу муфты на резьбовых участках.
Задача предлагаемого решения - повышение качества герметизации резьбовых соединений.
Для решения поставленной задачи в способе герметизации резьбовых соединений труб, включающем заполнение межрезьбового пространства герметизирующим материалом в виде композиции графита и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, которую наносят на резьбовую поверхность методом порошкового напыления в электростатическом поле, введена дополнительная операция и изменен состав герметизирующего слоя. Перед нанесением герметизирующего покрытия проводят подготовку поверхности резьбового соединения путем пассивации металла, а в качестве герметизирующего материала используют композицию сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП) плюс графит с наполнителями в следующем составе, мас.ч.:
сополимер ТФЭ с ГФП
75-95
графит
2,5-15
наполнители
2,5-10
Пассивацию металла проводят в два этапа. На первом этапе путем погружения в фосфатирующий раствор следующего состава (г/л):
- монофосфат цинка
20,0-25,0;
- нитрат натрия
15,0-25,0;
- нитрит натрия
0,5-2,0.
На втором этапе на высушенную после первого этапа поверхность изделия наносят распылением полимерный пассивирующий раствор.
Использование предлагаемой композиции и последовательности обработки резьбовых соединений позволяет повысить адгезию герметизирующего покрытия и улучшить качество герметизации, что увеличивает количество свинчиваний без разрушения сплошности и герметичности соединений.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Поверхность деталей перед напылением обезжиривается в растворе кальцинированной соды или других растворах щелочного обезжиривания типа КМ-1, КМ-2.
После химического обезжиривания перед нанесением герметизирующего покрытия проводят подготовку поверхности резьбового соединения путем пассивации металла. Для этого муфту погружают в фосфатирующий раствор следующего состава (г/л):
- монофосфат цинка - 22,0;
- нитрат натрия - 19,0;
- нитрит натрия - 1,0.
Процесс проводят в ваннах при температуре 75-80°C в течение 10 мин. После фосфатирования изделия промывают холодной водой (15÷18°C); жесткость воды не должна превышать 4°. Затем изделия сушат и на сухую поверхность наносят распылением полимерный пассивирующий раствор, образующий за счет хемосорбционного взаимодействия прочную адгезионную связь между пассивным (конверсионным) слоем металла и последующим герметизирующим слоем материала. После нанесения полимерного пассивирующего раствора производят напыление герметизирующего материала, например, следующего состава:
Сополимер ТФЭ с ГФП
75%
Графит
15%
Наполнители
10%
Напыление проводят в электростатическом поле, нанесенное покрытие оплавляют при t=320-380°C до образования гладкой поверхности. При этом происходит сильное хемосорбционное и адгезионное взаимодействие между пассивной поверхностью металла, полимером из пассивирующего раствора и материалом герметизирующего слоя. В результате этого при оплавлении образуется монолитный слой покрытия - прочное соединение с металлом.
Полученное покрытие выдерживает до 10 и более свинчиваний (зависит от типа муфт, резьбы) без разрушения сплошности и герметичности соединения.
Сополимер тетрафторэтилена (ТФЭ) с графитовым порошком (ГфП) в чистом виде (100%) обладает высокой теплостойкостью и физико-механическими свойствами (прочность, относительное удлинение, однако при низких и повышенных температурах сополимер при монтаже прорезается и стягивается с острых кромок, оголяя металл, не обладает хладотекучестью (пластичностью), имеет повышенный коэффициент трения (Ктр) и вследствие этого не гарантирует надежное уплотнение.
Добавка мягкого пластичного наполнителя-графита в количестве 2,5-15% приводит к появлению пластичности сополимера, т.е. способности «течь» под действием напряжений, возникающих в резьбовых соединениях при монтаже, снижает Ктр, что способствует эффективному заполнению межрезьбового пространства и обеспечению герметичности соединения труб.
При увеличении содержания наполнителя более 15% наблюдается существенное снижение физико-механических свойств композиции (прочность, относительное удлинение), вследствие чего материал начинает крошиться и в процессе монтажа удаляться из межрезьбового пространства. При этом повторный монтаж соединения не обеспечивает достаточную герметичность соединения.
Использование метода порошкового напыления электростатическим способом позволяет обрабатывать резьбовые соединения в производственных условиях и поставлять трубы в поле уже подготовленными.
Предлагаемая композиция может быть получена следующим образом.
В просеянный на сито 025 (размер ячеек 250×250 мкм) порошок сополимера ТФЭ-ГФП вводят наполнитель (графит или др.) и тщательно перемешивают на смесителе типа Хеншель с числом оборотов 2000-3000 об/мин.
Сополимер ТФЭ-ГФП и наполнители (графит, нитрид бора ос-модификации, тальк) выпускаются в промышленном масштабе.
Приготовленную композицию загружают в бункер установки напыления в электростатическом поле типа УЭНП или любого другого типа, в которой обеспечивается зарядка порошка композиции и его транспортировка в электростатическом поле высокого напряжения (Uраб.=15-100 кВ, Iраб.=50-10 мКа). Заряженные частицы композиции осаждаются на заземленной детали (внутренней поверхности резьбового соединения) плотным слоем, после чего деталь помещается в электропечь, где при 300-350°C происходит оплавление порошковой композиции с образованием блестящего покрытия (черного или белого цвета, в зависимости от применяемого наполнителя), прочно соединенного с металлом, что обеспечивает надежность герметизации металла.
Таким образом, в полевых условиях не нужно производить никаких дополнительных операций по герметизации, так как они уже были сделаны в производственных условиях на автоматизированном оборудовании. Трубы можно собирать в полевых условиях, при любых температурных режимах.
При свинчивании резьбовых соединений труб герметизирующее покрытие сохраняется и может быть использовано многократно.
Предлагаемый способ существенно повышает качество герметизации и упрощает операции по его осуществлению.
Способ может быть использован для резьбовых соединений труб, а также соединений труб через муфты.