Резьбовое соединение с сухим смазочным покрытием
THREADED JOINT WITH DRY LUBRICATING COATING

Изобретение относится к резьбовым соединениям труб, в частности приспособленным к соединению труб нефтяного сортамента, а также других трубопроводов, работающих в жидких коррозионных средах. Причем это соединение имеет на резьбе полимерное покрытие, обеспечивающее антикоррозионную защиту на период хранения труб, а также антифрикционные и герметизирующие свойства в процессе их сборки и эксплуатации.
Из уровня техники известно, что для герметизации, снижения нагрузок, а также исключения заедания резьбовых соединений при сборке обсадных колонн применяются консистентные резьбоуплотнительные смазки. Как правило, данные материалы содержат в своем составе тяжелые металлы, минеральные масла, жиры, ингибиторы, присадки и растворители, что может повлечь за собой проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Кроме того, сборка обсадных колонн с использованием консистентных смазок весьма трудоемкий и длительный процесс: помимо операции нанесения резьбоуплотнительной смазки, которая в зимнее время должна быть дополнительно разогрета, необходимо также проводить удаление с резьбы паром или растворителями консервационной смазки, наносимой в заводских условиях для обеспечения антикоррозионной защиты.
Применение сухих смазочных покрытий, обеспечивающих характеристики, аналогичные характеристикам консистентных резьбоуплотнительных смазок (герметичность, смазывающие свойства и пр.), позволяет не только существенно снизить трудоемкость и время спуска обсадной колонны, но и улучшает экологическую обстановку и условия работы на буровой.
Известен ряд антифрикционных и герметизирующих систем покрытий, предназначенных для резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. Эти системы являются преимущественно двухслойными, где каждый слой выполняет свою функцию. Так, в патенте US 6971681 В2 описывается двухслойное покрытие резьбового соединения, в котором первый слой является антикоррозионной цинкпротекторной грунтовкой на эпоксидной основе, второй слой состоит из дисперсии частиц твердых смазочных материалов, в том числе дисульфида молибдена, в неорганическом связующем. Резьбовое соединение выдерживает до 5 циклов свинчивания - развинчивания. Однако данное покрытие требует предварительной обработки поверхности резьбы с целью увеличения ее шероховатости для обеспечения адгезии наносимых покрытий. Кроме того покрытие является двухслойным, что предполагает двух стадийный процесс нанесения, что менее технологично и более затратно.
Известна система покрытий резьбового соединения премиального типа (US 20150192229 А1), в которой в одном из примеров на ниппель наносится УФ-отверждаемый антикоррозионный лак, на резьбовую поверхность муфты наносится покрытие на основе эпоксидной или полиаминамидной смолы, содержащей антифрикционные добавки и ингибиторы коррозии. На участки сопряжения, не имеющие резьбы, наносится второй слой - покрытие низкой твердости на основе термопластичных полимеров, восков, стеарата цинка, антифрикционных и антикоррозионных добавок. Покрытия для резьбовых участков служат для снижения момента скручивания резьбового соединения, а покрытие низкой твердости служит для герметизации соединения. Следует отметить, что процесс формирования данной системы покрытий весьма трудозатратный, помимо нанесения покрытий разного типа на различные участки резьбы необходимо проведение предварительной обработки и ниппеля, и муфты.
Известен способ защиты резьбового соединения от истирания и коррозии (US 20110163538 А1 и WO 2006104251), в котором на поверхность резьбовой части трубы сначала наносится жидкое или полутвердое смазочное покрытие, а затем наносится УФ-отверждаемый лак, который после высыхания предохраняет полутвердое нижнее покрытие от прилипания загрязнений. С учетом того, что первый слой является жидким, данную систему покрытий можно отнести только к полусухому типу.
Наиболее близким по предлагаемому техническому решению является патент на изобретение US 9568126 В2. Описанная в данном патенте система покрытий является двухслойной. На первом этапе проводят предварительную обработку поверхности резьбового соединения для повышения уровня шероховатости и, как следствие, увеличения адгезии наносимого слоя покрытия. Затем на поверхность резьбы, по меньшей мере, одного из ниппельных элементов и муфты распыляют УФ-отверждаемую полимерную смолу. Оптимальная толщина получаемого покрытия составляет (5-30) мкм. Дополнительная антикоррозионная защита резьбового соединения обеспечивается за счет нанесения второго слоя покрытия на основе акриловой силиконовой смолы, оптимальная толщина которого находится на уровне (5-10) мкм. Резьбовое соединение с вышеописанной системой покрытий выдерживает испытания в камере солевого тумана в течение 200 ч. При этом, не смотря на увеличение значений крутящих моментов в процессе сборки резьбового соединения, подтверждена его герметичность при испытаниях гидравлическим давлением. Следует отметить, что отсутствует подтверждение соответствия данной системы покрытий требованиям ISO 13678, согласно которому смазочный материал должен обеспечивать антикоррозионную защиту при воздействии солевого тумана в течение не менее 500 ч. В связи с чем существует риск появления коррозии на резьбе при длительном хранении и транспортировке обсадных труб. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом, на достижение которого направлено созданное изобретение, является получение резьбового соединения с сухим смазочным покрытием, обладающим повышенными антикоррозионными свойствами, герметичностью при воздействии гидравлического давления, возможностью проведения повторной сборки без дополнительного нанесения смазки, которое вписывается в существующий технологический процесс изготовления обсадных труб и имеет пониженную себестоимость. Преимуществом настоящего изобретения по отношению к описанным выше аналогам также является сочетание антикоррозионных и антифрикционных свойств в однослойном покрытии, а также отсутствие необходимости создания дополнительной шероховатости резьбовой поверхности ниппельного элемента труб путем фосфатирования, пескоструйной обработки и прочих методов с целью повышения адгезии наносимого покрытия к поверхности металла.
Технический результат достигается за счет того, что в резьбовом соединении, состоящем из сопрягаемых элементов с наружной и внутренней резьбой, имеющих общий контур поверхности, сопрягаемая резьбовая поверхность элемента с наружной резьбой имеет однослойное антикоррозионное покрытие, сопрягаемая резьбовая поверхность элемента с внутренней резьбой имеет однослойное антифрикционное покрытие, содержащее связующее, отвердитель и наполнители, при этом антифрикционное покрытие дополнительно содержит до 8 мас. % дисперсии парафина. При этом покрытия толщиной 10-110 мкм наносятся на всю сопрягаемую резьбовую поверхность элементов с наружной и внутренней резьбой.
Покрытие сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с наружной резьбой представляет собой УФ-отверждаемую полимерную композицию, в состав которой, по меньшей мере, входят мономер, олигомер, инициатор фотополимеризации, а также различные виды добавок, в том числе ингибиторы коррозии, пигмент. Для формирования антикоррозионного покрытия могут применяться коммерчески доступные материалы.
Нанесение УФ-отверждаемой полимерной композиции непосредственно на предварительно обезжиренную металлическую поверхность резьбы осуществляется известными из уровня техники методами, например путем распыления, окунания или струйного облива. Отверждение нанесенного слоя происходит под воздействие промышленных источников УФ-излучения.
Антикоррозионное покрытие на основе УФ-отверждаемой полимерной композиции представляет собой прозрачное сухое покрытие. Поэтому, формирование антикоррозионного покрытия на сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с наружной резьбой, которая при транспортировке труб повреждается наиболее часто, не затрудняет контроль состояния резьбовой части элемента перед сборкой резьбового соединения.
Антифрикционным покрытием в настоящем изобретении является покрытие на полиуретановой основе с антифрикционными наполнителями, в том числе дополнительно введенной дисперсией парафина, отверждаемое изоцианатным отвердителем, наносимое на сопрягаемую резьбовую поверхность элемента с внутренней резьбой.
В качестве связующего выступает смесь полиолов, для оптимального обеспечения свойств покрытия и смачивания всех компонентов материала процентное содержание которой в исходном материале составляет от 25 мас. % до 35 мас. %.
В качестве отвердителя антифрикционное покрытие содержит изоционат, предпочтительное содержание которого в исходном материале 10-50 мас. %. Когда содержание изоционата менее 10 мас. % высока вероятность недоотверждения покрытия. Когда содержание изоционата превышает 50 мас. %, покрытие становится хрупким.
В качестве наполнителей выступают сухие антифрикционные добавки, в том числе порошок тетрафторэтилена, смесь порошков графита, дисульфида молибдена, предпочтительное содержание данных компонентов в покрытии от 10 мас. % до 65 мас. %. Когда содержание наполнителей в покрытии составляет менее 10 мас. %, значительно ухудшаются его антифрикционные свойства. Когда содержание наполнителей в покрытии превышает 65 мас. %, не обеспечивается получение качественного покрытия. Дополнительные уплотнительные и смазывающие свойства обеспечивает наличие в антифрикционном покрытии до 8 мас. % дисперсии парафина, который в процессе отверждения полимерного материала всплывает на поверхность, образуя смазочную пленку.
Для обеспечения оптимального уровня защитных свойств антифрикционное покрытие содержит до 3 мас. % ингибиторов коррозии, а также до 10 мас. % цинкового порошка.
Равномерное распределение частиц наполнителей в материале и противодействие их агломерации обеспечивается введением в исходный материал антифрикционного покрытия до 2,5 мас. % эфиров фосфорной кислоты.
Нанесение антифрикционного покрытия на предварительно фосфатированную сопрягаемую резьбовую поверхность элемента с внутренней резьбой осуществляется путем распыления или другими аналогичными способами. Отверждение нанесенного слоя происходит в процессе улетучивания растворителя и химического взаимодействия связующего и отвердителя.
Толщина антикоррозионного и антифрикционного покрытий предпочтительно находится в диапазоне 10-110 мкм. Когда толщина покрытий составляет менее 10 мкм, значительно ухудшаются их защитные свойства и стойкость к истиранию. Когда толщина покрытий превышает 110 мкм, затрудняется процесс свинчивания резьбового соединения.
Принципиальным отличием резьбового соединения согласно заявленному изобретению, которое имеет полимерное покрытие на сопрягаемой резьбовой поверхности элементов с наружной и внутренней резьбой является следующее. За счет того, что в состав полимерной композиции, наносимой на сопрягаемую резьбовую поверхность элемента с внутренней резьбой, входит до 8 мас. % дисперсии парафина, которая в процессе отверждения формирует в поверхностном слое покрытия смазочную пленку, покрытие элемента с внутренней резьбой обеспечивает также требуемый уровень антифрикционных и уплотнительных свойств без дополнительного нанесения второго слоя или какого-либо другого покрытия, а входящие в состав покрытия ингибиторы коррозии обеспечивают значительное повышение антикоррозионной защиты. За счет того, что покрытие на сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с наружной резьбой выполняет только функцию консервации на период транспортировки труб и отслаивается в процессе сборки резьбового соединения, не оказывая негативного влияния на функциональные свойства покрытия элемента с внутренней резьбой, проводится только обезжиривание поверхности металла и не требуется дальнейших дополнительных операций по предварительной обработке сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с наружной резьбой с целью увеличения уровня ее шероховатости.
Резьбовая поверхность, на которой формируется антифрикционное покрытие, образована посредством процесса резания, при котором шероховатость поверхности, как правило, не превышает 5 мкм. При шероховатости поверхности металла, превышающей вышеупомянутый уровень, адгезия наносимого покрытия может быть увеличена, что положительно сказывается на стойкости резьбового соединения к воздействию нагрузок, возникающих в процессе свинчивания. С этой целью проводится предварительная обработка сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с внутренней резьбой.
Примером такой обработки является предварительное фосфатирование поверхности резьбы, в результате которого формируется тонкий конверсионный слой, образованный мелкими игольчатыми кристаллами и имеющий высокую шероховатость. Как следствие шероховатость поверхности металла увеличивается, что обеспечивает повышение адгезии наносимого антифрикционного покрытия.
Примеры
Эффективность настоящего изобретения будет описана в следующих примерах.
Пример 1
Антифрикционное покрытие включает следующие компоненты:
- в качестве полиолов полиэфир на основе 1,2-пропандиола, триметилолпропан, ангидрида фталиевой и адипиновой кислот 25,2 мас. %;
- в качестве антифрикционных наполнителей, например, графит смазочный 32,6 мас. %, парафин 2,5 мас. %, сорбитол 5 мас. %;
- в качестве ингибитора коррозии ингибитор атмосферной коррозии 2.5 мас. %;
- в качестве диспергатора эфиры фосфорной кислоты 2.2 мас. %;
- в качестве отвердителя ароматический полиизоцианат на основе дифенилметандиизоцианата 30 мас. %.
Для оценки защитных свойств антифрикционное покрытие методом распыления наносилось на стальные пластины размером (150×70×4) мм в виде эмульсии, в которой компоненты, соответствующие приведенному выше составу, диспергированы в органическом растворителе. Покрытие отверждалось естественным путем при комнатной температуре. При этом средняя толщина получаемого покрытия составляла 50-70 мкм.
Стойкость к перепаду температур определялась согласно ГОСТ 27037. При чередующемся воздействии на образцы температуры минус (60±3)°С и (60±3)°С в течение заданного времени и последующем определении свойств покрытия. Для трех пластин проводилось измерение адгезии покрытия методом решетчатых надрезов и испытание на стойкость к растрескиванию при трехточечном изгибе сразу после высыхания, остальные пластины подвергались воздействию циклических перепадов температуры от минус 60°С до 60°С в течении 10 циклов, затем проводились аналогичные испытания. Стойкость покрытия к растрескиванию определяли в соответствии с ИСО 178. Для испытания на стойкость покрытия к растрескиванию при трехточечном изгибе образец устанавливали на две опоры, расстояние между которыми составляет 100 мм, затем подвергали изгибу.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Стойкость антифрикционного покрытия к воздействию соляного тумана определялась по ГОСТ 9.401 (метод Б). Метод заключается в воздействии на образцы постоянно конденсирующегося соляного тумана при (35±3)°С в течение заданного времени и последующим определением свойств покрытия. Перед началом испытания на покрытии образцов сделаны крестообразные надрезы по диагонали пластин (не доводя до края 20 мм). Глубина надреза доходила до металла. Распространение коррозии от линии надреза определяли по максимальному значению двух линий, рассчитанному с учетом максимального поражения через каждые 10 мм линии надреза. Участок в радиусе 10 мм от места пересечения надрезов, при оценке результатов, не учитывался. Время испытаний 1000 часов. По результатам испытаний установлено, что на всех трех пластинах распространение коррозии от линии надреза не превышало 2 мм, что подтверждает высокий уровень защитных свойств антифрикционного покрытия.
Пример 2
В случае резьбового соединения наиболее важной характеристикой является способность к свинчиванию. В отличие от консистентных смазок, которые способны перераспределяться в процессе сборки резьбового соединения, при применении твердых смазочных покрытий существует риск их негативного влияния на процесс свинчивания. Поэтому были проведены испытания по свинчиванию резьбового соединения согласно заявленному изобретению.
Поверхность ниппелей обсадных труб размером (146×8,5) мм с резьбой «Батресс» группы прочности Д предварительно подвергали механической обработке. В условиях трубоэлектросварочного цеха №5 на предварительно обезжиренную и высушенную в проходных камерах резьбовую поверхность одного из ниппелей труб в проходной камере распыления наносили УФ-отверждаемое консервационное покрытие, которое облучали ультрафиолетовыми источниками в течение 2 секунд для отверждения полимерной пленки. При этом средняя толщина получаемого покрытия составляла 30 мкм.
Антифрикционное покрытие включает следующие компоненты:
- в качестве полиолов полиэфир на основе 1,2-пропандиола, триметилолпропан, ангидрида фталиевой кислоты и адипиновой кислоты 26 мас. %;
- в качестве антифрикционных наполнителей графит смазочный 25 мас. %, парафин 3,7 мас. %;
- в качестве ингибитора коррозии ингибитор атмосферной коррозии 1,2 мас. %, цинковый порошок 9,3 мас. %, в качестве диспергатора эфиры фосфорной кислоты 2,5 мас. %;
- в качестве отвердителя, например, ароматический полиизоцианат на основе дифенилметандиизоцианата 32,3 мас. %.
На резьбовую поверхность муфт, прошедших предварительное фосфатирование, при постоянном вращении методом распыления наносили антифрикционное покрытие в виде эмульсии, в которой компоненты, соответствующие приведенному выше составу, диспергированы в органическом растворителе. Впоследствии покрытие отверждалось на воздухе при комнатной температуре. Толщина полученного таким образом покрывного слоя составляла (55-80) мкм.
Испытания по свинчиванию проводили на муфтозатяжном станке, сборку осуществляли до совпадения торца муфты с основанием треугольного клейма, при этом фиксировался крутящий момент. После развинчивания проводился контроль состояния резьбы на ниппеле и на муфте. Результаты испытаний обобщены в таблице 2.
Как видно из результатов таблицы 2, значение моментов сборки резьбового соединения при наличии полимерных покрытий на резьбе (сборки 1 и 2) увеличиваются примерно на 30% по сравнению со сборкой с традиционной консистентной смазкой. Однако при этом состояние резьбы после повторного свинчивания удовлетворительное. Таким образом, наличие покрытий не препятствует сборке резьбового соединения.
Пример 3
Резьбовое соединение, в котором контактная поверхность элементов с наружной и внутренней резьбой обрабатывалась согласно примеру 2, после свинчивания подвергались испытанию на герметичность в соответствии с ISO 13679 при давлении 360 бар, в ходе которого была подтверждена герметичность резьбового соединения согласно настоящему изобретению.
По результатам вышеприведенных испытаний было установлено, нанесенные в условиях действующего производства антифрикционное однослойное покрытие на сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с внутренней резьбой и УФ-отверждаемое покрытие на сопрягаемой резьбовой поверхности элемента с наружной резьбой обеспечивают эффективную антикоррозионную защиту резьбового соединения, не оказывают негативного влияния на способность к свинчиванию, позволяя проводить повторную сборку без применения консистентной смазки, а также обеспечивают герметичность резьбового соединения. Кроме того данная система покрытий отличается низкой себестоимостью и полностью встраивается в действующую технологическую схему производства обсадных труб.