УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И/ИЛИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Полезная модель может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, как на ремонтных базах, так и в полевых условиях. Полезная модель предназначена для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб, например, бурильных, обсадных и насосно-компрессорных и др., в процессе подготовки к эксплуатации (упрочнение), технического обслуживания и поддержания в надлежащем состоянии резьбовых элементов (упрочнение и восстановление или только восстановление) во время спуско-подъемных операций в процессе бурения и эксплуатации нефтегазовых и других скважин и т.п. Под трубными резьбовыми элементами понимается или ниппельный или подмуфтовый конец трубы, различные элементы конической резьбы.
Известно восстановление труб, бывших в эксплуатации обновлением резьбовых элементов путем перенарезки резьбового профиля (SU 1563884). Однако восстановление перенарезкой часто сопряжено с отрезкой участков трубы, что ведет к повышению удельного расхода металла труб на тонну добываемой продукции. Повышенный удельный расход металла сопряжен также с необходимостью замены муфт с изношенной резьбой, т.к. последняя не подлежит перенарезке.
Восстановление трубных резьбовых элементов указанным путем не учитывает особенностей распределения фактической площади контакта, напряжений и износа по длине резьбового элемента.
Известно устройство, реализующее способ безабразивной полировки поверхностей, способствующей увеличению фактической площади контакта и упрочнению поверхностей, содержащее ультразвуковую колебательную систему продольно-крутильных колебаний, состоящую из
магнитострикционного преобразователя, волновода со спиральными пазами и сменным элементом на торце (SU 546463).
К недостаткам известного устройства относится то, что оно не может быть использовано для усовершенствования технологии по восстановлению резьбовых соединений в связи с заклиниванием таких инструментов в конических соединениях.
Наиболее близким является устройство для упрочнения трубных резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому трубному резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении и датчик линейных перемещений (RU 2092291).
Приведенный пример известного устройства иллюстрирует резьбовой рабочий инструмент, выполненный в виде метчика. Система контроля качества резьбы обрабатываемого трубного резьбового элемента при использовании рабочего инструмента, выполненного в виде плашки (для навинчивания на обрабатываемый резьбовой элемент) не предусмотрена в известном устройстве.
Недостатком известного устройства - прототипа является то, что из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого трубного резьбового элемента, что приводит к потере симметрии сил реакции подвески и понижению точности ультразвукового воздействия на обрабатываемый резьбовой элемент - точности наружного
конуса резьбы. Отсутствие контроля качества резьбы обрабатываемого трубного резьбового элемента не дает возможности обеспечения высокого качества работы с трубными изделиями, имеющими наружную резьбу.
Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении соосности ультразвуковой колебательной системы и обрабатываемого трубного резьбового элемента, а также в уменьшении брака при обработке изделий за счет обеспечения надежного и технологичного контроля натяга трубного резьбового элемента по резьбовому калибру, по гладкому колибру и параметру «рабочая высота профиля».
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для упрочнения и/или восстановления трубных резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащем станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому трубному резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении и узел контроля качества трубного резьбового элемента, система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной в другом поперечном сечении, отстоящем не менее чем на диаметр ультразвуковой головки, а узел контроля качества трубного резьбового элемента включает щуп-шток, расположенный внутри резьбового рабочего инструмента, используемого в качестве калибра и выполненного с возможностью ввинчивания с восстанавливаемым трубным резьбовым элементом.
Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
Сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом выполнен в виде плашки с внутренней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому трубному резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси или имеющими левовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°.
Могут быть использованы различные резонансные концентраторы, отличающиеся как по количеству элементов с различным профилем продольного сечения (простой, составной), так и по количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно-, двух- и т.д. ступенчатый). Предпочтительно выполнение концентратора одноступенчатым стержневым или двухступенчатым составным стержневым. В последнем случае соединение ступеней двухступенчатого составного стержневого концентратора, имеющих узловые фланцы, может быть выполнено с помощью резьбовых крепежных деталей, например, шпилек.
Соединение сменного резонансного волновода с концентратором может иметь различное исполнение, например, в виде фланцевого соединения торцов, посредством резьбовой крепежной детали, в виде узлового фланцевого соединения. Указанное фланцевое соединение может быть выполнено в виде байонетного замка с пружинным поджимом замка к узловому фланцу концентратора или в виде байонетного замка с жестким поджимом замка шпильками к узловому фланцу концентратора.
Каретка может быть выполнена подвижной относительно станины. Привод каретки может быть выполнен электрическим с червячным механизмом осевой подачи, с реечным механизмом осевой подачи или с червячным и реечным механизмом осевой подачи.
Кроме того, привод каретки может быть выполнен в виде гидроцилиндра подачи.
Электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде магнитнострикционного преобразователя, в виде стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя, например, Ланжевеновского типа.
Возможно различное исполнение узла зажима и вращения трубы вокруг продольной оси:
- в виде передней бабки токарного станка,
- с приводом в виде асинхронного двигателя.
- с приводом в виде гидромотора.
- с механизмом зажима в виде кулачкового механизма с гидроцилиндром.
Возможно использование датчиков позиционирования в механизме вращения трубы вокруг продольной оси, контролирующих положение ультразвуковой колебательной системы относительно станины, выполненных в виде электромагнитных бесконтактных датчиков с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных датчиков с реакцией на стальные объекты, которые размещены на каретке.
Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение, в частности, спайкой или резьбовым.
Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет снизить диапазон отклонений от соосности ультразвуковой колебательной системы по отношению к обрабатываемому трубному резьбовому элементу трубы, по сравнению с прототипом в 2 и более раза, что неизбежно приводит к снижению потерь симметрии сил реакции подвески и повышению точности ультразвукового воздействия на участки обрабатываемого трубного резьбового элемента.
Наиболее предпочтительной является система подвески ультразвуковой головки, содержащая не менее трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, который проходит через ее центр масс. В этом случае достигается большая надежность поддержания практически идеальной соосности даже при использовании трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения.
Практически система подвески ультразвуковой головки содержит две группы пружин, которые по углу равнорасположенны относительно плоскости поперечного сечения, проходящей через продольную ось головки.
В первой группе не менее трех пружин соединены с корпусом ультразвуковой головки на периферии одного ее поперечного сечения, расположенного на участке от торца корпуса, снабженного фланцем и обращенного к узлу зажима изделия, до центра масс головки включительно. Во второй группе не менее, чем одна пружина расположена у противоположного конца ультразвуковой головки, при этом корпус ультразвуковой головки установлен параллельно направлению излучения ультразвуковой колебательной системы и соосно обрабатываемому резьбовому элементу.
Увеличение количества пружин, как сверх трех по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, так и сверх одной, расположенной вертикально, повышает надежность обеспечения соосности даже при размещении пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, не проходящего через ее центр масс. Количество пружин определяется в каждом конкретном случае в зависимости от линейных размеров, массы и особенностей конструкции элементов ультразвуковой головки и прочих узлов, входящих в устройство, с
учетом обеспечения удобства обслуживания и минимальной металлоемкости устройства.
Предлагаемое устройство имеет типичную принципиальную схему (например, подобную приведенной в патенте RU 2092291) и состоит из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, например, приводного роликового с пассивным прижимным роликом механизма вращательно-поступательного перемещения труб, ультразвуковой головки, имеющей корпус, систему пружинной подвески корпуса ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узла позиционирования трубы в продольном направлении и узла контроля качества трубного резьбового элемента. Каретка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. В корпусе ультразвуковой головки закреплена колебательная система, включающая электроакустический преобразователь, с обмоткой, подключаемой к ультразвуковому генератору (например, мод. УЗГЗ-4), концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому трубному резьбовому элементу, размещенным на выходном четвертьволновом участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение. Ультразвуковой генератор имеет стабилизатор амплитуды ультразвуковых колебаний и блок автоматического поддержания резонанса. Ультразвуковая головка содержит локальную ванну, уплотняющуюся по внешней поверхности обрабатываемого резьбового элемента.
Для работы устройства в полевых условиях в сочетании со спуско-подъемными операциями над трубными колоннами в общую схему дополнительно включаются следующие элементы: элеватор подъемно-транспортного механизма, ключ двустороннего действия, закрепляемый в определенном месте на корпусе трубы, как активного элемента,
совершающего ультразвуковые колебания относительно муфты, используемой в роли инструмента, водило приводного механизма относительного вращения трубных резьбовых элементов, а также бесконтактный выключатель в качестве счетчика оборотов водила и акустический изолятор полуволновый с узловым опорным фланцем соответствующий регулируемой частоте ультразвуковых колебаний.
Работа устройства может осуществляться следующим образом.
Трубу с обрабатываемым трубным резьбовым элементом, подводят посредством механизма относительного вращения трубных резьбовых элементов труб к ультразвуковой головке, ввинчивают его в обрабатывающий резьбовой элемент, при этом в зону обработки, например в локальную ванну обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Возможно как вращение ультразвуковой головки при неподвижной трубе с обрабатываемым резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.
При замедлении относительного вращения в конце ввинчивания, например, по сигналу крутильного акселерометра включают обработку резьбы ультразвуковыми колебаниями, подключая преобразователь к ультразвуковому генератору со стабилизатором амплитуды ультразвуковых колебаний, например, на уровне 5±2 мкм, и блоком автоматического поддержания резонанса, причем частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для одной из частот собственных колебаний обрабатываемой трубы (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из желаемой интенсивности ультразвукового воздействия и допустимого износа инструмента. Ввинчивание чередуют с вывинчиванием на 1-2 оборота.
Продолжая ввинчивать и вывинчивать резьбовые элементы, выполняют обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием с ультразвуковыми колебаниями. Соосность ультразвуковой колебательной системы, обеспечиваемая предлагаемой конструкцией системы подвески
ультразвуковой головки, позволяет обеспечить точность ультразвукового воздействия на обрабатываемый трубный резьбовой элемент. Ввинчивание резьбовых элементов прерывают, отключая при заданной величине крутящего момента механизм относительного вращения резьбовых элементов, затем переходят к вывинчиванию обрабатываемого трубного резьбового элемента и обрабатывающего резьбового рабочего инструмента. Начало вывинчивания облегчается присутствием ультразвуковых колебаний и, дополнительно радиальными деформациями обрабатываемого трубного резьбового элемента при приложении крутящего момента вывинчивания вследствие наличия спиральных пазов на рабочем инструменте.
Чередующиеся ввинчивание и вывинчивание прерывают при достижении нормативного натяга. Операции проводят в один или более проходов. Узел контроля качества резьбового элемента, включающий щуп-шток, расположенный внутри резьбового рабочего инструмента-плашки, используемого в качестве калибра, имеет, предпочтительно, форму грибка, поджат к торцу ниппеля обрабатываемой трубы, через рычажный механизм дает перемещения стрелки-указателя глубины посадки ниппеля в рабочем инструменте, обеспечивает достаточно надежное и точное измерение линейных перемещений, прост в монтаже и наладке, легко адаптируется к АСУ НТС, достигается возможность контроля по параметрам «натяг резьбовому и по гладкому калибру» и по параметру «половина рабочей высоты профиля». Узел контроля качества резьбового элемента позволяет значительно снизить долю ошибочно перебракованных трубных резьбовых элементов, что позволяет снизить количество брака на 5-7%.