ТРУБНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ И СПОСОБ ЕГО ВЫПОЛНЕНИЯ
PIPE SCREW AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к трубному резьбовому соединению с покрытием и может быть использовано для защиты резьб резьбовых элементов, применяемых для соединения труб при добыче и транспортировании углеводородов.
Известно использование технологии чистого свинчивания (технологии «СМТ») при обеспечении герметичности резьбовых соединений обсадных колонн (Емельянов А.В., Токарев А.В. Новое решение проблемы герметичности резьбовых соединений обсадных колонн с использованием «Технологии чистого свинчивания» (Clear Make Up Technology или СМТ)//Бурение и нефть. - 2012, №02, с.46-47). Данная технология сочетает в себе одновременное решение двух задач: во-первых, однократное нанесение покрытия на резьбу на заводе обеспечивает «сухое» многократное свинчивание резьбового соединения без использования каких-либо смазочных материалов в промысловых условиях; во-вторых, гарантирует герметичность резьбового соединения обсадных труб даже после повторных свинчиваний. Однако применение данной технологии существенно ограничивалось и практически в настоящее время не применяется из-за существенных недостатков полимеризующихся уплотнительных смазок, основными из которых являются недостаточные антизадирные свойства, токсичность, невозможность использования при отрицательных температурах окружающей среды, невозможность автоматизации процесса нанесения и, практически, полная неразъемность резьбовых соединений.
Известно использование высокомоментного резьбового соединения с бессмазочным покрытием (патент РФ №2444668, F16L 15/06, опубл. 10.03.2012) в нефтяной и газовой добывающей промышленности, обеспечивающее повышение коррозийной стойкости и стойкости резьбового соединения к поверхностному повреждению. Резьбовое соединение включает охватывающий элемент с внутренней резьбой и охватываемый элемент с наружной резьбой, совмещаемой с резьбой охватывающего элемента. Резьба имеет трапецеидальный профиль и шаг, обеспечивающий одновременный стыковой контакт между нагрузочными и посадочными сторонами профиля. Резьба покрыта бессмазочным твердым материалом, содержащим сухое скользящее вещество. Комбинация бессмазочного поверхностного покрытия и малых, положительных значений угла профиля резьбы как нагрузочной, так и посадочной стороны обеспечивает получение соединения с высоким моментом, устойчивого к свинчиванию и развинчиванию. Однако данное соединение не обладает достаточной герметичностью, что может вызывать аварийные ситуации и увеличивать количество ремонтов соединений в колоннах.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип резьбового соединения, является трубный резьбовой элемент с сухим защитным покрытием (патент РФ №2451861, F16L 15/00, B82Y 40/00, опубл. 27.05.2012), применяемый в резьбовых соединениях труб на скважинах при добыче углеводородов и обеспечивающий защиту соединения от коррозии и заклинивания. Резьба трубного резьбового соединения покрыта тонким твердым покрытием, не липнущим при касании и плотно прилегающим к основе. Покрытие включает твердотельную матрицу, которая содержит дисперсию частиц, по меньшей мере, одного твердого смазочного вещества, относящемуся к одному Классу. Твердотельная матрица предназначена для смазки и имеет реологические свойства пластического или вязкопластичного типа. Недостатком изобретения является низкая герметичность и износостойкость покрытия при многократном свинчивании и развинчивании резьбового соединения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип способа, является обработка трубного резьбового элемента (патент РФ №2451861, F16L 15/00, B82Y 40/00, опубл. 27.05.2012), при которой поверхность под покрытие подвергают обработке для улучшения прилегания покрытия, и, по меньшей мере, на поверхность резьбы наносят тонкий слой покрытия против заклинивания для получения твердого покрытия. Однако при многократном свинчивании и развинчивании резьбового соединения не удается обеспечить износостойкость покрытия, что приводит к его разрушению и, как следствие - к нарушению герметичности соединения, а также к активизации коррозионных процессов.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении герметичности резьбового соединения и износостойкости покрытия при многократном свинчивании и развинчивании соединения.
Поставленная задача решается за счет того, что в трубном резьбовом соединении с покрытием, состоящим из элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой, контактные поверхности которых выполнены с тонким, плотно прилегающим к основе покрытием, включающим твердотельную матрицу, содержащую дисперсию частиц, по меньшей мере, по одному из каждых компонентов: твердого смазочного вещества, ингибитора коррозии и поверхностно-активного вещества, согласно изобретению, твердотельная матрица включает, по меньшей мере, по одному термореактивному полимеру и структурирующему агенту, при этом твердотельная матрица покрытия элементов с наружной и внутренней резьбой содержит структурирующие агенты из различных групп полимеров. Кроме того, твердотельная матрица покрытия элементов с наружной или внутренней резьбой содержит в качестве структурирующего агента соединения ароматического ряда, а твердотельная матрица покрытия другого элемента содержит в качестве структурирующего агента соединения алифатического ряда.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе выполнения трубного резьбового соединения с покрытием, состоящего из элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой, способных сопрягаться друг с другом, включающим обработку поверхностей под покрытие и нанесение на них тонкого, плотно прилегающего к основе покрытия, которое включает твердотельную матрицу, содержащую дисперсию частиц, по меньшей мере, по одному твердому смазочному веществу, ингибитору коррозии и поверхностно-активному веществу, также в матрицу вводят, по меньшей мере, по одному термореактивному полимеру и структурирующему агенту, которые выбирают из различных групп полимеров для элементов с наружной и внутренней резьбой. Кроме того, в твердотельную матрицу покрытия элементов с наружной или внутренней резьбой в качестве структурирующего агента вводят соединения ароматического ряда, а в твердотельную матрицу покрытия другого элемента вводят в качестве структурирующего агента соединения алифатического ряда. На контактную поверхность каждого резьбового элемента наносят покрытие, суммарную толщину которых определяют из следующего выражения
0,9δ<S<1,2 δ,
где: S - суммарная толщина покрытий на резьбовых поверхностях элементов, мкм;
δ - величина зазора между поверхностями резьбовых элементов при свинчивании и развинчивании, мкм.
Включение в твердотельную матрицу, по меньшей мере, по одному термореактивному полимеру и структурирующему агенту обеспечивает надежную герметичность резьбового соединения и износостойкость покрытия за счет разных физических свойств матриц покрытий элементов с наружной и внутренней резьбой, в том числе пластических свойств. Это достигается введением в качестве структурирующих агентов соединений из различных групп полимеров, например, матрица одного из резьбовых элементов содержит соединения ароматического ряда, а другого элемента - соединения алифатического ряда. Такое выполнение способствует снижению противозадирных свойств, обеспечивает многократное свинчивание и развинчивание соединения без нарушения покрытия, а также герметичность соединения за счет более полного заполнения зазора между контактными поверхностями резьбовых элементов покрытием.
Твердотельная матрица может содержать как по одному, так и по несколько термореактивных полимеров, структурирующих агентов и функциональных добавок (твердое смазочное вещество, ингибитор коррозии, поверхностно-активное вещество), что приводит к повышению защитных и адгезионных свойств покрытия. Твердотельная матрица элементов с наружной и внутренней резьбой включает следующие компоненты: частицы твердого смазочного вещества могут быть выбраны, например, из группы твердых слоистых смазок; ингибиторами коррозии выбирают вещества, обеспечивающие, в частности, протекторную защиту; поверхностно-активное вещество (ПАВ) выбрано, например, из группы анионо-активных ПАВ; термореактивным полимером может служить, например, полиуретан; а структурирующими агентами являются соединениями ароматического или алифатического рядов. При этом для стабильности системы все составляющие матрицы выбирают из комплекса совместимых между собой компонентов.
Для повышения антифрикционных свойств и герметичности соединения, а также целостности покрытия его толщина на каждом из резьбовых элементов должна превышать величину шероховатостей на контактных поверхностях, при этом суммарную толщину покрытий на резьбовых поверхностях элементов определяют из следующего выражения
0,9δ<S<1,2δ,
где: S - суммарная толщина покрытий на резьбовых поверхностях элементов, мкм;
δ - величина зазора между поверхностями резьбовых элементов при свинчивании и развинчивании, мкм.
Выполнение покрытий на резьбовых поверхностях элементов суммарной толщиной в указанном интервале обеспечивает герметичность соединения и надежное свинчивание и развинчивание без нарушения целостности покрытия за счет одновременного стыкового контакта между нагрузочными, посадочными и уплотнительными сторонами профиля резьбы, а также повышение защитных свойств и стойкости резьбового соединения. При суммарной толщине покрытий меньше 0,9 δ появляется вероятность разгерметизации соединения и снижение долговечности резьбового соединения. При суммарной толщине покрытий более 1,2 δ возможно необратимое смятие покрытия и заклинивание резьбового соединения.
z
Пример конкретного осуществления предлагаемого изобретения. Изобретение было опробовано на резьбовом соединении насосно-компрессорных труб, выполненном, например, с треугольной резьбой (условный диаметр трубы - 73 мм, наружный диаметр трубы - 73,0 мм, толщина стенки трубы - 5,5 мм, внутренний диаметр трубы - 62,0 мм, наружный диаметр муфты - 88,9 мм, длина муфты - 135 мм; шаг резьбы - 3,175; R=20 мкм). Средняя величина зазора между контактными поверхностями при допуске на профиль треугольной резьбы ±1° составляет 60 мкм.
Твердотельная матрица элементов с наружной и внутренней резьбой включает следующие компоненты:
- частицы твердого смазочного вещества выбраны, например, из группы твердых слоистых смазок, в частности, графит и дисульфид молибдена;
- ингибитором коррозии, обеспечивающим протекторную защиту, является, например, цинковая пудра;
- поверхностно-активное вещество (ПАВ) выбрано из группы анионо-активных ПАВ, например синтанол ДС-10;
- в качестве термореактивного полимера выбран, например, полиуретан. Твердотельная матрица элемента с наружной резьбой в качестве структурирующего агента содержит, например, ароматический поликарбодиимид, а твердотельная матрица элемента с внутренней резьбой в качестве структурирующего агента содержит, например, алифатический полиакриламид.
Покрытие, соответствующее приведенному выше описанию, наносят на контактную поверхность каждого резьбового элемента при температуре окружающей среды в один плотно прилегающий к основе слой после того, как поверхность под покрытие прошла обработку, способствующую улучшению адгезии, например, аморфное фосфатирование. Покрытие наносят, в частности, безвоздушным распылением водной эмульсии, в которой диспергированы компоненты покрытия по любому из пп.1-2, резьбовые элементы с нанесенным покрытием нагревают до температуры, например, превышающей или равной 140°C; затем резьбовые элементы выдерживают при комнатной температуре и собирают резьбовое соединение путем завинчивания резьбовых элементов.
При нанесении на резьбовые поверхности элементов покрытий суммарной толщиной в пределах 54-72 мкм были обеспечены герметичность резьбового соединения, защитные свойства и износостойкость покрытия при многократном свинчивании и развинчивании резьбового соединения.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает надежность соединения в сложных условиях эксплуатации (широком интервале температур и различных агрессивных средах) за счет повышения герметичности резьбового соединения и износостойкости покрытия при многократном свинчивании и развинчивании, кроме того, покрытие обладает высокими адгезионными и низкими фрикционными свойствами.