СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ
SEALING METHOD OF THREADED CONNECTIONS OF PIPES

Изобретение относится к производству труб и может быть использовано для герметизации резьбовых соединений 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, №2032712 от 27.03.90, №2032714 от 27.03.90 и заявку на изобретение №95109583 от 07.06.95).
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). 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, так как происходит его механическое разрушение при развинчивании соединений.
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 и №2162928 от 25.12.98). В современной практике широко применяется гальванический метод нанесения металла на резьбу обсадных труб.
Способ металлизации очень дорогой и не исключает дополнительного 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 и №93041784 от 20.08.93). 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. 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 герметизации резьбовых соединений труб по патенту РФ №2498144 от 02.10.2012 г., включающий заполнение межрезьбового пространства герметизирующим материалом на основе композиции графита и сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП), отличающийся тем, что перед нанесением герметизирующего покрытия проводят подготовку поверхности резьбового соединения путем пассивации металла в два этапа, на первом этапе проводят погружение изделия в фосфатирующий раствор, на втором этапе на высушенную поверхность изделия распыляют полимерный пассивирующий раствор, а в качестве герметизирующего материала используют композицию сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП) и графита с наполнителями в следующем составе, мас.ч.:
сополимер ТФЭ с ГФП
75-95
графит
2,5-15
наполнители
2,5-10
Практическое использование данного способа позволило выявить его недостатки и внести усовершенствования. Без разрушения сплошности и герметичности соединения покрытие, полученное указанным способом, выдерживает 10 свинчиваний. Однако способ включает довольно сложную и дорогую операцию пассивации металла.
Задача предлагаемого решения - упрощение способа и повышение качества герметизации резьбовых соединений за счет увеличения количества свинчиваний.
Для решения поставленной задачи в способе герметизации резьбовых соединений труб, включающем подготовку поверхности резьбового соединения для создания пористого адгезионного коррозионностойкого слоя на металле и заполнение резьбового пространства герметизирующим материалом на основе композиции графита и сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП), перед нанесением герметизирующего материала на резьбовую поверхность изделия поверх пористого коррозионностойкого слоя наносят полимерное покрытие с добавлением гамма-аминосилана в количестве 1-15% к массовой доле сухого остатка полимера. Данное покрытие выполняет роль связующего слоя между металлической поверхностью изделия и герметизирующим материалом. В качестве герметизирующего материала используют композицию сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП) и графита с наполнителями в следующем составе, мас.ч.:
сополимер ТФЭ с ГФП
80-99
графит
1-20
наполнители
0-15
За счет использования герметизирующего материала предлагаемого состава удалось упростить процедуру подготовки поверхности резьбового соединения и повысить качество герметизации за счет увеличения количества свинчиваний до 20 и более раз и уплотнения резьбовых соединений, что обеспечило снижение трудоемкости герметизации и монтажа. Способ осуществляется 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 для создания пористого коррозионностойкого слоя на поверхности изделия. Подготовка осуществляется стандартными способами, например фосфатирование поверхности, термодиффузионное цинкование, химическое оксидирование и т.д.
Затем на поверхность наносят распылением полимерный грунт с добавкой гамма-аминосилана в количестве 1-15% к массовой доле сухого остатка полимера. Такой грунт образует за счет хемосорбционного взаимодействия прочную адгезионную связь между пористым коррозионно-стойким слоем металла и последующим герметизирующим слоем материала покрытия. После нанесения полимерного грунта производят напыление герметизирующего материала, в частности, следующего состава:
сополимер ТФЭ с ГФП
85%
графит
8%
наполнители
7%
Предлагаемая композиция и герметизирующее покрытие могут быть получены 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, 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 (Upaб.=15-100 кВ, Iраб.=50-100 мКа). Заряженные частицы композиции осаждаются на заземленной детали (внутренней поверхности резьбового соединения) плотным слоем, после чего деталь помещается в электропечь, где при 320-380°C происходит оплавление порошковой композиции с образованием блестящего покрытия (черного или белого цвета, в зависимости от применяемого наполнителя), прочно соединенного с пористым слоем металла, грунтом и герметизирующим покрытием, что обеспечивает надежность герметизации соединения.
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 - до 20 раз и более.
Предлагаемый способ существенно повышает качество герметизации и упрощает операции по его осуществлению.