УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЗЬБЫ ТРУБ И МУФТ

Полезная модель относится к области ультразвуковой обработки материалов и предназначена для восстановления и упрочнения резьбовых элементов бывших в эксплуатации труб и муфт, например, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб, муфт, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых элементов новых труб, муфт, трубных заготовок.
Известно устройство для восстановления резьбовых элементов нефтепромысловых труб, содержащее ультразвуковую колебательную систему, включающую магнитострикционный преобразователь, трансформатор колебательной скорости, волновод и инструмент, размещенный на его выходном участке, причем волновод выполнен сменным трубчатым, а рабочий инструмент расположен на четвертьволновом его участке и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, со спиральными пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания резьбы (патент РФ №2270744).
Устройство позволяет осуществлять обработку с высокой производительностью, поскольку инструмент выполнен ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, т.е. обработка осуществляется одновременно по всей поверхности, что обеспечивает высокий класс формообразования. Недостатком устройства является его низкий коэффициент полезного действия.
Наиболее близким является известное устройство для упрочнения и восстановления резьбы труб и муфт, содержащее ультразвуковую колебательную систему, включающую преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого
расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №34106). Тип преобразователя в формуле полезной модели по патенту РФ №34106 не указывается, однако в описании упоминается об использовании только магнитострикционного преобразователя.
Использование в составе устройства магнитострикционного преобразователя приводит к повышению энергоемкости процесса обработки резьбы, причиной чему является то, что магнитострикционные системы работают на основе двойного преобразования энергии. Сначала электрическая энергия преобразуется в магнитную, а затем магнитная энергия преобразуется в механическую, которая создаст звуковую волну. Вследствие энергетических потерь за счет нагревания обмотки и эффекта магнитного гистерезиса, эффективность магнитных систем обычно не превышает 50%. Генераторы, даже при условии хорошей настройки, в основном, имеют эффективность не более 70%. А это означает, что энергия, затрачиваемая на выполнение полезной функции, используется с эффективностью не более 40%. При этом особенно важным является то, что устройства для ультразвукового восстановления и упрочнения резьбы труб и муфт являются весьма энергоемкими. Кроме того, магнитострикционные преобразователи имеют большие массогабариты, что, в свою очередь, увеличивает массогабариты всей инструментальной головки устройства (преобразователь + инструмент) и, как следствие, снижает точность самоориентирования инструмента по оси обрабатываемой резьбы, что отрицательно сказывается на точности обработки резьбы труб и муфт. Однако магнитострикционные преобразователи считаются более надежными, чем пьезоэлектрические, в связи со «старением» со временем материала пьезоэлектрического элемента в условиях эксплуатации, вплоть до его разрушения, что снижает надежность работы всего устройства.
Техническая задача состоит в создании высокоэффективного устройства, обладающего высокой надежностью.
Технический результат полезной модели заключается в повышении коэффициента полезного действия устройства при сохранении надежности его работы, а также в повышении точности обработки.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для упрочнения и восстановления резьбы труб и муфт, содержащем ультразвуковую колебательную систему, включающую пьезоэлектрический преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, преобразователь выполнен пьезоэлектрическим и включает, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент, причем пьезоэлектрические элементы имеют осевое отверстие.
Предпочтительно, пьезоэлектрические элементы выполнены в виде кольца.
Пьезоэлектрические элементы могут быть выполнены в виде полого цилиндра.
Предпочтительно, преобразователь включает два и более пьезоэлектрических элемента и расположенные между ними, токоподводящие элементы (например, в виде шайб), что позволяет снизить энергонапряженность и скорость «старения» пьезоэлектрического материала и дополнительно повысить долговечность работы преобразователя.
Преобразователь, предпочтительно, включает, по крайней мере, одну накладку из пьезоэлекрически пассивного материала (например, металла), что позволяет снизить его резонансную частоту без увеличения массогабаритов пьезоэлектрического элемента.
По крайней мере, одна накладка (отражающая и/или излучающая) может быть выполнена в виде крепежного элемента.
По крайней мере, одна накладка (отражающая и/или излучающая) может быть выполнена в виде стяжного элемента.
В случае необходимости улучшения согласования преобразователя с нагрузкой функцию согласующего устройства может выполнить
дополнительно включаемый в состав устройства концентратор, волновод или сам инструмент (цельный или составной).
Соединение отдельных частей преобразователя между собой может осуществляться различно: склеиванием, стяжкой (например, с использованием осевого стяжного стержня), с помощью резьбовых приспособлений (например, шпилек), а также комбинированием различных типов соединения.
Соединение отдельных узлов устройства может также осуществляться различно, например: стяжкой узловых поясков, пайкой, резьбовым соединением и т.п.
Источником электрической энергии в предлагаемом устройстве может случить генератор, например, типа серийного УЗУ-0,25. Согласование между электрическими и механическими параметрами устройства, в случае необходимости, осуществляется с помощью накладок, роль которых, в частности, могут выполнять, как указано выше, функциональные детали устройства (инструмент, крепежные детали).
Энергетические потери в пьезоэлектрическом материале, причиной которых служит внутреннее трение и нагрев, обычно составляют менее 5%. Это означает, что 95% энергии, подаваемое к преобразователю, используется для выполнения полезной функции. Современные генераторы, которые используются в устройствах с пьезоэлектрическими преобразователями, имеют эффективность порядка 75%, что обеспечивает эффективность всей системы в 70% и выше.
Материалом пьезоэлектрического элемента, предпочтительно, является пьезокерамика.
Работа в условиях высокого локализованного разогрева (как это имеет место в ультразвуковых установках по упрочнению и восстановлению резьбы) приводит к снижению механических свойств материала пьезоэлектрического элемента вплоть до его разрушения. В связи с этим теплоотвод от пьезоэлектрического элемента является, при прочих равных
условиях, определяющим долговечность его работы, а следовательно, надежность работы всего устройства.
Выполнение пьезоэлектрического элемента с осевым отверстием обеспечивает, по сравнению с пьезоэлектрическим элементом, имеющим поперечное сечение в виде сплошной поверхности, дополнительный канал теплоотвода, что позволяет повысить долговечность пьезоэлектрического элемента, а следовательно, и надежность работы устройства. При этом наилучший результат достигается, когда осевое отверстие пьезоэлектрического элемента остается свободным. В этом случае возможно размещение в осевом отверстии токопроводящих лепестков и проводов. Однако, возможно осуществление крепления и стяжки элементов преобразователя с помощью стяжного стержня, размещенного по оси преобразователя, в осевом отверстии пьезоэлектрического элемента. В этом случае также будет осуществляться дополнительный теплоотвод от пьезоэлектрического элемента, хотя и в несколько меньшей степени, чем в предыдущем случае, однако необходимая долговечность пьезоэлектрического элемента и в этом случае будет обеспечена.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний устройств для упрочнения и восстановления резьбы на примере обработки бывших в эксплуатации труб НКТ 73 по ГОСТ Р52203-2004. Испытания проводились при частоте ультразвуковых колебаний 18±2 Кгц, амплитуде 5±2 мкм, что не исчерпывает возможных диапазонов параметров процесса.
В контрольном примере 1 устройство содержит магнитострикционный преобразователь ПМС 15А-18 с последовательно присоединенным к нему собственным волноводом-концентратором (масса узла преобразователя 14 кг) и инструментом, на четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Этот пример осуществлен для получения сравнительных данных с использованием устройства, содержащего все признаки, общие с признаками устройства по патенту РФ №34106,
поскольку в описании полезной модели по патенту РФ №34106 сведения об условиях и результатах испытания устройства отсутствуют.
В контрольном примере 2 устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь с одним пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде сплошной пластины из пьезокерамического материала, с отражающей металлической накладкой на одном конце (масса узла преобразователя около 1 кг) и последовательно присоединенным к другому концу преобразователя инструментом, на четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Инструмент одновременно выполняет функцию накладки. Обе накладки обеспечивают работу преобразователя на резонансной частоте. Стяжка деталей преобразователя осуществляется 8 шпильками М8.
В примере 3 устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь с одним пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде кольца из пьезокерамического материала, с осевым стяжным металлическим стержнем, отражающей накладкой на одном конце (масса узла преобразователя около 1 кг) и последовательно присоединенным к другому концу преобразователя инструментом, на четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Инструмент одновременно выполняет функцию накладки. Обе накладки обеспечивают работу преобразователя на резонансной частоте.
Результаты исследования восстановленных резьбовых элементов показывают, что во всех примерах резьба после обработки снова соответствует нормативным значениям натяга по резьбовому и гладкому калибрам, а так же достигается повышение микротвердости поверхности резьбы в 1,5-1,6 раза, что свидетельствует не только о восстановлении профиля резьбы, но и об упрочнении поверхностного слоя металла в результате образования наклепа.
Точность обработки резьбы по примерам 2 и 3 примерно одинакова и, в среднем, по параметру дисперсии натяга по резьбовому калибру на 20%
выше, чем в контрольном примере 1, поскольку массогабариты пьезоэлектрического преобразователя значительно ниже массогабаритов магнитострикционного преобразователя, что снижает момент инерции инструментальной головки и повышает точность самоориентирования инструмента по оси обрабатываемой резьбы.
При равной производительности с использованием устройств по примерам 1-3 КПД устройства по примеру 3 (устройство по предлагаемой полезной модели) значительно выше, чем по примеру 1 (по прототипу), хотя и несколько уступает КПД по контрольному примеру 2 (преобразователь пьезоэлектрический, но пьезоэлектрический элемент в виде сплошной пластины). Однако при этом устройство по примеру 2 имеет более низкую надежность.
Таким образом, результаты примеров 1-3 свидетельствуют о том, что использование преобразователя, выполненного пьезоэлектрическим с пьезоэлектрическим элементом, имеющим осевое отверстие, позволяет по сравнению с прототипом значительно увеличить КПД и повысить точность обработки при сохранении надежности работы устройства.
Таблица
Показатели
Пример 1к
Пример 2к
Пример 3
КПД,%
38
78
65
Надежность работы при эксплуатации в течение 100 смен
Без ремонта
Две замены пьезоэлемента
Без ремонта
Производительность, труб в смену
103
103
103