EA 025807B1 20170130

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000025807b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Трубный элемент, предназначенный для бурения и/или эксплуатации углеводородных скважин, имеющий оконечную часть (1, 2), содержащую по меньшей мере одну резьбовую зону (3, 4), отличающийся тем, что оконечная часть (1, 2), по меньшей мере, частично покрыта сухой пленкой (12), состоящей из смазывающей композиции, которая содержит матрицу (13) и по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения (9) в матрице (13) таким образом, что по меньшей мере 65 вес.% средства скольжения (9) распределено в верхнем слое смазывающей сухой пленки (12) толщиной приблизительно 15 мкм, при этом по крайней мере одно мигрирующее средство скольжения выбрано из списка, включающего силиконовые масла полидиметилсилоксанового типа с поверхностным натяжением менее 24 мН/м и кинематической вязкостью в диапазоне 100-1850 мм ² /с при 20 °С; перфторполиэфиры с кинематической вязкостью в диапазоне 150-1850 мм ² /с при 20 °С или функционализированный алкиламид или фосфат с молекулярной массой в диапазоне 1850-3100 г/моль; воски насыщенного или ненасыщенного первичного амида эрукамидного, олеамидного или стеарамидного типа; воски насыщенного или ненасыщенного вторичного амида этилен-бис-олеамидного или этилен-бис-стеарамидного типа; твердые парафины.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к термопластичному или термореактивному типу и выбрана таким образом, что сухая пленка (12) имеет значение сопротивления крутящему моменту на заплечике, по меньшей мере, равное тому, которое получено с консистентной смазкой API RP 5 A3.

3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к фторуретановому типу и получена путем отверждения фторэтиленвинилового эфира в водной дисперсии.

4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица относится к термопластичному типу и получена из сополимеров сложных полиэфиров и акрилатов или стирол-акриловых сополимеров в водной дисперсии.

5. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к термопластичному, тянутому из расплава типу.

6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица относится к сополиамидному типу.

7. Элемент по п.5, отличающийся тем, что смазывающая сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения полидиметилсилоксановое масло в диапазоне 5-10 вес.%.

8. Элемент по п.3, отличающийся тем, что сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения приблизительно 2 вес.% полидиметилсилоксанового масла.

9. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смазывающая сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения частицы смазочных материалов классов 1, 2, 3 или 4, предпочтительно фторидов углерода и/или синтетических графитов.

10. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сухая пленка (12) дополнительно включает антикоррозионное средство.

11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что антикоррозионное средство является ионообменным диоксидом кремния.

12. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что покрытый участок оконечной части является предварительно подвергнутым подготовке поверхности, относящейся к типу, который выбирается из группы, образованной пескоструйной обработкой, конверсионными обработками, электролитическим покрытием и нереакционными обработками.

13. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вся указанная резьбовая зона (3, 4) покрыта сухой пленкой (12).

14. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанная оконечная часть (1, 2) включает по меньшей мере одну поверхность уплотнения, предназначенную для контакта металл/металл, и указанная поверхность уплотнения покрыта смазывающей сухой пленкой (12).

15. Резьбовое соединение, полученное в результате соединения двух трубных элементов посредством свинчивания, отличающееся тем, что по меньшей мере один трубный элемент является элементом по любому из пп.1-14.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица относится к сополиамидному типу.

11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что антикоррозионное средство является ионообменным диоксидом кремния.

Евразийское 025807 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201370089
(22) Дата подачи заявки
2011.10.12
(51) Int. Cl. C10M169/04 (2006.01) C09D 7/12 (2006.01)
(54) РЕЗЬБОВОЙ ТРУБНЫЙ КОМПОНЕНТ И РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕЕ СОЕДИНЕНИЕ
(31) 10/04071 (56) FR-A1-2914926
(32) 2010.10.15 Ш1-А1-28 <Ш74
(33) FR
(43) 2013.08.30
(86) PCT/EP2011/067767
(87) WO 2012/049194 2012.04.19
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ВАЛЛУРЕК МАННЕСМАНН ОЙЛ ЭНД ГЕС ФРАНС (FR); НИППОН СТИЛ ЭНД СУМИТОМО МЕТАЛ КОРПОРЭЙШН (JP)
(72) Изобретатель:
Гард Эрик, Пинель Элит, Пети Микаель, Гуидер Мохамед (FR)
(74) Представитель:
Носырева Е.Л. (RU)
(57) Изобретение относится к резьбовому трубному компоненту, предназначенному для бурения и/или эксплуатации углеводородных скважин, где указанный трубный компонент содержит на одном из его концов (1; 2) резьбовую зону (3; 4), изготовленную на его наружной или внутренней периферической поверхности в зависимости от того, относится резьбовой конец к охватываемому или охватывающему типу, который отличается тем, что по меньшей мере часть конца (1; 2) покрывается смазывающей сухой пленкой (12), матрица (13) которой включает по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения (9), принадлежащее к семейству масел или восков и распределенное, главным образом, на поверхности смазывающей сухой пленки (12) таким образом, чтобы коэффициент трения пленки (12) был меньше 0,07 при нагрузках менее 40 Н, в то время как коэффициент трения пленки (12) - больше 0,1 при нагрузках более 200 Н.
Настоящее изобретение относится к трубному компоненту, предназначенному для бурения и/или эксплуатации углеводородных скважин и, точнее, к резьбовому концу такого элемента. Указанный конец может относиться к охватываемому или охватывающему типу и может быть способен соединяться с соответствующим концом аналогичного элемента для образования соединения.
Изобретение также относится к резьбовому соединению, получающемуся в результате свинчивания двух трубных элементов.
Выражение "трубный элемент, предназначенный для бурения и эксплуатации углеводородных скважин" подразумевает любой элемент, который является, в сущности, трубчатым по форме и предназначен для соединения с другим элементом того же типа или, иначе, в частности для составления колонны, предназначенной для бурения углеводородной скважины, или стояка, предназначенного для технического обслуживания (также известен как стояк для капитального ремонта), или для эксплуатации указанной скважины, как, например, стояк, или для обсадной колонны или насосно-компрессорной колонны, используемой на эксплуатируемых скважинах. Изобретение также применимо к таким используемым в бурильной колонне элементам, как бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы и участки трубных соединений и утяжеленных труб, известные как бурильные замки.
Каждый трубный элемент включает оконечную часть, оснащенную охватываемой резьбовой зоной или охватывающей резьбовой зоной, предназначенной для свинчивания с соответствующей оконечной частью аналогичного элемента. Соединенные таким образом, элементы составляют то, что именуется термином "соединение".
Указанные резьбовые трубные компоненты соединения соединяются под определенными нагрузками для того, чтобы удовлетворялись требования для посадки с натягом и уплотнения, налагаемые рабочими условиями. Кроме того, как известно, от резьбовых трубных компонентов может требоваться, чтобы они претерпевали несколько циклов свинчивания-развинчивания, в частности в скважинах.
Условия использования указанных резьбовых трубных компонентов вызывают различные типы напряжений, которые делают необходимым использование покрытий на таких чувствительных частях указанных компонентов, как резьбовые зоны, зоны примыкания или поверхности уплотнения.
Так, операции свинчивания, в общем, осуществляются под большой осевой нагрузкой, например из-за веса трубы длиной несколько метров, подлежащей соединению посредством резьбового соединения, возможно, локализованной посредством небольшого несовпадения осей резьбовых элементов, подлежащих соединению. Это включает угрозу заедания в резьбовых зонах и/или на поверхностях уплотнения металл/металл. По этой причине резьбовые зоны, а также поверхности уплотнения металл/металл обычно покрываются смазочными материалами.
Кроме того, резьбовые трубные компоненты хранятся и затем свинчиваются в агрессивных средах. Это имеет место, например, в ситуации морского бурения в присутствии соляного тумана, или в ситуации морского бурения в присутствии песка, пыли и/или других загрязнителей. Поэтому необходимо использовать покрытия, которые противостоят коррозии на поверхностях, которым приходится взаимодействовать путем свинчивания (резьбовые зоны) или путем тесного контакта (поверхности уплотнения металл/металл). Также необходимо подвергать поверхности обработке против коррозии.
С точки зрения защиты окружающей среды, однако, оказывается, что использование при свинчивании консистентных смазок в соответствии со стандартом API (Американского нефтяного института) RP 5A3 не представляет решение, рассчитанное на длительную перспективу, поскольку указанные консистентные смазки могут вытесняться из трубных компонентов и выделяться в окружающую среду или в скважину, что в результате приводит к закупорке, которая неизбежно влечет за собой специальные операции очистки.
С целью преодоления трудностей, связанных с потребностью в долгосрочной коррозионной стойкости и стойкости к заеданию, и для удовлетворения прерогатив охраны окружающей среды были разработаны твердые сухие покрытия (т.е. не пастообразные, в отличие от консистентных смазок), смазочные материалы и протекторы. Это имеет место, в частности, в случае покрытий, включающих термопластичную матрицу с вязкопластичными свойствами, наполненную частицами твердого смазочного материала. Указанные покрытия, в частности, были способны преодолевать трудности, связанные с последовательным свинчиванием и развинчиванием, в особенности, в условиях на месте эксплуатации, а также трудности, связанные с защитой резьбовых элементов от коррозии.
Однако было сделано наблюдение, что в рабочих условиях смазочного материала имеется так много, что становится невозможной посадка с натягом между охватываемым и охватывающим концами резьбового трубного соединения, которая согласуется с предварительно определяемым профилем крутящего момента свинчивания для этого резьбового трубного соединения. Иными словами, указанные покрытия настолько снижают трение на упоре свинчивания в конце свинчивания под предельными контактными напряжениями Герца, известными как "предельное давление", и при низкой скорости трения, что крутящий момент пластификации достигается значительно быстрее. Это приводит к значениям сопротивления крутящему моменту на заплечике намного меньшим, чем эталонные значения, которые получаются при использовании консистентной смазки API RP 5A3. По этой причине в некоторых предельных случаях упор пластифицируется до того, как будет достигнут полезный крутящий момент свинчива
ния.
Поэтому заявитель пытался разрешить дихотомию, которая существует между высоким значением сопротивления крутящему моменту на заплечике (значением разности между крутящим моментом пластификации и крутящим моментом на заплечике) с низким крутящим моментом на заплечике и достаточно высокой стойкостью к заеданию.
Изобретение предлагает резьбовой трубный компонент, предназначенный для бурения или эксплуатации углеводородных скважин, где указанный трубный компонент, содержащий поблизости от одного из его концов резьбовую зону, изготовленную на его наружной или внутренней периферической поверхности в зависимости от того, является тип резьбового конца охватываемым или охватывающим, который отличается тем, что по меньшей мере часть указанного конца покрывается смазывающей сухой пленкой, матрица которой может включать по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения, принадлежащее к семейству масел или восков, распределенное, главным образом, на поверхности смазывающей сухой пленки так, чтобы коэффициент трения пленки был меньше 0,07 при нагрузках менее 40 Н и, в то же время, коэффициент трения пленки был больше 0,1 при нагрузках более 200 Н.
Иными словами, что, по сути, эквивалентно, изобретение предлагает трубный элемент, предназначенный для бурения и/или эксплуатации углеводородных скважин, который содержит оконечную часть, включающую по меньшей мере одну резьбовую зону, которая отличается тем, что указанная оконечная часть, по меньшей мере, частично покрывается сухой пленкой, которая включает матрицу и по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения в матрице, распределенное, главным образом, поблизости от свободной поверхности смазывающей сухой пленки, тем, что указанное средство скольжения выбирается из масел и восков, и тем, что матрица и указанный средство скольжения совместно адаптированы так, чтобы сухая пленка имела коэффициент трения менее 0,07 при нагрузках ниже 40 Н и более 0,1 - при нагрузках выше 200 Н.
Настоящее изобретение предлагает использование мигрирующих средств скольжения, предпочтительно для формирования смазывающей сухой пленки на поверхности покрытой части резьбового элемента с целью снижения трения и адгезии указанной пленки в отношении других поверхностей, однако при этом указанные средства допускают сопротивление крутящему моменту на заплечике, по меньшей мере, равное тому, которое получается тогда, когда резьбовые элементы, подлежащие сбережению, покрываются консистентной смазкой согласно стандарту API RP 5A3.
В частности, настоящее изобретение касается использования мигрирующих средств скольжения в термопластичной или термореактивной матрице, которая может генерировать низкие коэффициенты трения тогда, когда поверхность покрытой части резьбового элемента вначале свинчивания подвергается сдвиговым напряжениям под низким давлением, и более высокие коэффициенты трения - тогда, когда поверхность покрытой части резьбового элемента при приближении к завершению свинчивания подвергается сдвиговым напряжениям под предельным давлением.
Необязательные характеристики, как дополняющие, так и замещающие, определены ниже.
Мигрирующее средство скольжения может включать силиконовое масло и/или перфторированное масло.
Мигрирующее средство скольжения может включать силиконовое масло полидиметилсилоксаново-го типа с поверхностным натяжением <24 мН/м и кинематической вязкостью в диапазоне 100-1850 мм2/с при 20°С.
Мигрирующее средство скольжения может включать амидный воск и/или твердый парафин.
Мигрирующее средство скольжения может включать воск насыщенного или ненасыщенного первичного амида, относящийся к эрукамидному, олеамидному или стеарамидному типу, и/или воск насыщенного или ненасыщенного вторичного амида, относящийся к этилен-бис-олеамидному или этилен-бис-стеарамидному типу, и/или твердый парафин.
Смазывающая сухая пленка может включать термореактивную или термопластичную матрицу, выбираемую так, чтобы обеспечить смазывающую сухую пленку со значением сопротивления крутящему моменту на заплечике по меньшей мере равным тому, которое получено в случае консистентной смазки
API RP 5A3.
Смазывающая сухая пленка может включать фторуретановую матрицу, получаемую путем отверждения фторэтиленвинилового эфира в водной дисперсии.
Смазывающая сухая пленка может включать термопластичную матрицу, получаемую из сополимеров сложных полиэфиров и акрилатов или стирол-акриловых сополимеров в водной дисперсии.
Смазывающая сухая пленка может включать тянутую из расплава термопластичную матрицу, выбираемую таким образом, чтобы обеспечить смазывающую сухую пленку со значением сопротивления крутящему моменту на заплечике по меньшей мере равным тому, которое получено в случае консистентной смазки API RP 5A3.
Смазывающая сухая пленка может включать матрицу из амидного сополимера.
Смазывающая сухая пленка может включать полидиметилсилоксановое масло в диапазоне 5-10 вес.%, при этом матрица представляет собой сополиамидную матрицу.
Смазывающая сухая пленка может включать полидиметилсилоксановое масло с молекулярной мас
сой в диапазоне 10000-40000 г/моль и с кинематической вязкостью 1000 мм2/с или менее при 25°С.
Мигрирующее средство скольжения может включать перфторполиэфир с кинематической вязкостью в диапазоне 150-1850 мм2/с или функционализированный алкиламид или фосфат с молекулярной массой в диапазоне 1850-3100 г/моль.
Смазывающая сухая пленка может включать практически 2 вес.% полидиметилсилоксанового масла, при этом матрица представляет собой фторуретановую матрицу.
Смазывающая сухая пленка может включать частицы смазочных материалов классов 1, 2, 3 или 4, предпочтительно фторидов углерода и/или синтетических графитов.
Смазывающая сухая пленка может включать антикоррозионное средство, предпочтительно ионообменный диоксид кремния.
Покрытая часть смазывающей сухой пленки может вначале проходить этап подготовки поверхности, выбранный из группы, состоящей из пескоструйной обработки, конверсионной обработки, электролитического покрытия и нереакционных способов обработки.
Смазывающей сухой пленкой покрывается вся резьбовая зона.
Резьбовой трубный компонент может включать поверхность уплотнения металл/металл, при этом указанная поверхность уплотнения покрыта смазывающей сухой пленкой.
Настоящее изобретение также касается резьбового трубного соединения, включающего охватываемый резьбовой трубный компонент и охватывающий резьбовой трубный компонент, которые ввинчиваются друг в друга, где часть по меньшей мере одного из указанных резьбовых трубных компонентов покрывается смазывающей сухой пленкой.
Характерные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более подробно описаны в нижеследующем описании, сделанном со ссылкой на сопроводительные графические материалы.
Фиг. 1 - схематический вид соединения, возникающего в результате соединения двух трубных компонентов путем свинчивания.
Фиг. 2 - схематический вид кривой свинчивания для двух резьбовых трубных компонентов.
Фиг. 3 - схематический вид подложки, покрытой смазывающей сухой пленкой.
Фиг. 4 - схематический вид испытательной установки.
Фиг. 5 - схематический вид другой испытательной установки.
Фиг. 6-8 показывают испытательные кривые.
Резьбовое соединение, показанное на фиг. 1, включает первый трубный компонент с осью вращения 10, оснащенный охватываемой оконечной частью 1, и второй трубный компонент с осью вращения 10, оснащенный охватывающей оконечной частью 2. Каждая из двух оконечных частей 1 и 2 имеет терминальную поверхность, которая ориентирована перпендикулярно к соответствующей оси вращения 10, и обе они оснащены, соответственно, резьбовыми зонами 3 и 4, которые взаимодействуют при взаимном соединении двух компонентов путем свинчивания. Резьбовые зоны 3 и 4 могут относиться к резьбам трапецеидального, самофиксирующегося или другого типа. Кроме того, на охватываемой 1 и охватывающей 2 оконечных частях вблизи резьбовых зон 3 и 4, соответственно, предусмотрены поверхности 5, 6 уплотнения металл/металл, предназначенные для вхождения в герметичный тесный контакт друг с другом после соединения двух резьбовых компонентов путем свинчивания. Охватываемая оконечная часть 1 имеет терминальную поверхность 7, которая входит в примыкание с соответствующей поверхностью 8, предусматриваемой на охватывающей оконечной части 2, когда два компонента ввинчиваются один в
другой.
В другом варианте осуществления изобретения примыкание между терминальной поверхностью 7 и соответствующей поверхностью 8 можно заменить резьбовыми зонами 3, 4, приспособленными для взаимодействия посредством самофиксирующегося контакта, относящегося к типу, описанному, например, в документах US 4822081, US RE 30467 и US RE 34467.
Как видно на фиг. 1 и 3, оконечная часть 1 или 2 по меньшей мере одного из трубных компонентов, по меньшей мере, частично покрыта смазывающей сухой пленкой 12, включающей матрицу 13 и по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения 9 в ней, выбранное из масел и восков. Указанное средство, главным образом, распределяется поблизости от поверхности смазывающей сухой пленки 12, т.е. на поверхности, противостоящей наружной поверхности оконечной части или подложки 11.
Сухая пленка представляет собой твердую пленку, не липкую на ощупь.
Термин "масло" подразумевает жидкость, маслянистый жир растительного, животного, минерального или синтетического происхождения. Термин "воск" подразумевает пластичный, легкоплавкий материал, в частности растительного, нефтяного или синтетического происхождения.
Мигрирующее средство скольжения 9 в данном документе сконцентрировано до 65 вес.% в верхних 15 мкм толщины пленки 12. Иными словами, по меньшей мере 65 вес.% средства скольжения, включаемого в матрицу 3, распределяется в верхнем слое пленки 12 толщиной приблизительно 15 мкм. Такое распределение извлекает пользу из явления миграции, происходящего во время нанесения пленки 12 на подложку 11. Явление миграции средств известно из области упаковки, где оно представляет токсикологическую угрозу (выщелачивание) в результате склонности мигрирующего масла к образованию эласто-гидродинамических пленок при контакте со смазкой (М. Marchetti, Thesis, INSA 2000), или из области
взаимодействия смазочных материалов и резин с набуханием/усадкой, например путем миграции масла в спаи.
Предпочтительно мигрирующее средство скольжения выбирают из полидиметилсилоксанов, пер-фторполиэфиров, амидных восков и твердых парафинов.
Смазывающая сухая пленка 12 может покрывать всю резьбовую зону 3, 4 или ее часть.
Смазывающая сухая пленка 12 может покрывать всю поверхность уплотнения металл/металл 5, 6 или ее часть.
Смазывающая сухая пленка 12 также может не покрывать поверхность уплотнения 5, 6 и/или резьбовую зону 3, 4.
Смазывающая сухая пленка 12 обладает низким поверхностным трением. Это приводит к низкому сопротивлению сдвигу при низких нагрузках.
Используемые матрицы могут относиться к типу термопластичных или термореактивных. Явление поверхностной миграции мигрирующего средства скольжения связано с кинетикой образования сухой пленки.
В случае термопластичной матрицы, наносимой способом вытягивания из расплава, кинетика образования пленки, по сути, представляет собой кинетику охлаждения тянутого термопластичного материала.
В случае термореактивной матрицы, кинетика образования пленки, по сути, представляет собой кинетику отверждения термореактивного материала.
По этой причине используемые мигрирующие средства скольжения должны, по меньшей мере, частично удовлетворять следующие требования: плотность, или масса единицы объема, меньше, чем плотность объединенных составляющих матрицы, относительно низкая молекулярная масса и низкая способность к химическим и физическим взаимодействиям с составляющими матрицы.
Испытывалось несколько мигрирующих средств скольжения, удовлетворяющих указанные критерии, например таких как карнаубские воски, твердые парафины, полиэтиленовые воски и первичные и вторичные амидные воски.
Те из указанных средств, которые являются рекомендуемыми, обеспечивают пленку 12 с типом вязкоупругих свойств под действием сдвига, известным как "деформационностойкий", т.е. с таким, для которого в конце свинчивания получается высокое сопротивление крутящему моменту на заплечике. В частности, таковыми являются перфторполиэфиры и модифицированные или немодифипированные силиконовые масла полидиметилсилоксанового типа.
Как было показано, сухие пленки 12, включающие указанные мигрирующие средства скольжения, обладают "самосмазывающими" свойствами по мере того, как эти средства выделяются на поверхность пленки, когда происходит износ пленки под действием трения.
Конкретнее, изучались следующие мигрирующие средства скольжения: линейные полидиметилси-локсаны с вязкостью в диапазоне 100-12500 мм2/с при 25°С, эмульсии короткоцепочечных неионогенных линейных полидиметилсилоксанов, модифицированных полиэфиром, анионные эмульсии короткоцепо-чечных полидиметилсилоксанов, функционализированных амино-или гидроксисилановыми группами, перфторполиэфиры с кинематической вязкостью в диапазоне 150-1850 мм2/с или функционализирован-ные алкиламидными или фосфатными группами воски насыщенных или ненасыщенных первичных амидов, эрукамидного, олеамидного и стеарамидного типа, с молекулярной массой в диапазоне 1850-3100 г/моль, воски насыщенных или ненасыщенных вторичных амидов, этилен-бис-олеамидного и этилен-бис-стеарамидного типа, а также эмульсии твердых парафинов или восков вторичных амидов, этилен-бис-стеарамидного типа.
Испытывались пленки, которые включали в качестве мигрирующих средств скольжения силиконовые масла полидиметилсилоксанового типа различных сортов касательно молекулярной массы, продаваемые под торговым наименованием Wacker Fluid AK от Wacker и под торговым наименованием Rhodorsil Fluid от поставщика Bluestar.
Также испытывались амидные воски, продаваемые Croda под торговым наименованием Crodamide, а также перфторполиэфиры, продаваемые поставщиком Sovay Solexis под торговым наименованием Fluorolink или Fomblin.
Для матрицы были выбраны тянутые из расплава термопластмассы, такие как сополиамидные смолы, или термореактивные соединения в водной дисперсии, относящиеся к типу стирол-акриловых сополимеров, к модифицированному полиуретаном или фторуретаном акриловому типу.
Термопластичные матрицы обладают типом вязкоупругих свойств под действием сдвига, именуемым "деформационностойким", т.е. в конце свинчивания они обеспечивают высокое значение сопротивления крутящему моменту на заплечике, в то время как термореактивные матрицы обладают относительно высоким уровнем адгезии на подложках из углеродистой стали как с обработкой поверхности, так и без такой обработки.
Подложка 11, состоящая из покрытой части резьбового элемента, в данном документе формируется из углеродистой стали, которая вначале подвергается обработке поверхности, состоящей в электролитическом покрытии 10 мкм Cu-Sn-Zn (см., например, WO 2008/108266). Указанная подготовительная обра
ботка, однако, является необязательной и/или может принимать другие формы, такие как механическая обработка пескоструйного типа или конверсионная обработка, относящаяся к типу фосфатирования. Толщина изученных пленок находилась в диапазоне 20-45 мкм.
Пленки с термопластичной матрицей получали с использованием машины для нанесения пленок или с использованием технологии вытягивания из расплава, в то время как пленки с термопластичной или термореактивной матрицей в водной дисперсии наносили с использованием обычной пневматической пушки и чашки с соплом диаметром 1,7 мм.
Испытания состояли из оценки определенного количества параметров, в частности:
момента трения на поверхностях при контакте под высокими контактными напряжениями Герца (испытание Бриджмена);
силы адгезии и коэффициента трения пленки на подложке (склерометрическая проба);
стойкости пленки при повышенной температуре в загрязняющей окружающей среде.
С помощью испытания Бриджмена можно определять трибологические свойства сухих пленок во время операции свинчивания, характерной для соединений класса "премиум". Точнее, моделируется и определяется сопротивление крутящему моменту на заплечике (CSB), также известное как ToSR (torque on shoulder resistance). Указанный крутящий момент возникает во время операций свинчивания, характерных для используемых в нефтедобывающей промышленности соединений класса "премиум".
Кривая на фиг. 2 выражает крутящий момент свинчивания (или скрепления) как функцию количества сделанных вращательных оборотов. Как видно, профиль крутящего момента свинчивания соединений класса "премиум" можно разбить на четыре участка.
В продолжение первого участка Р1 наружные резьбы охватываемого резьбового элемента (или ниппеля) первого компонента резьбового трубного соединения все еще не имеют радиального контакта с внутренними резьбами соответствующего охватывающего резьбового элемента (или муфты) второго компонента того же резьбового трубного соединения.
В продолжение второго участка Р2 геометрический контакт резьб охватываемого и охватывающего резьбовых элементов генерирует радиальный контакт, который возрастает по мере продолжения свинчивания (генерируя небольшой, но возрастающий крутящий момент свинчивания).
В продолжение третьего участка Р3 поверхность уплотнения на наружной периферии оконечной части охватываемого резьбового элемента вступает в радиальный контакт с соответствующей поверхностью уплотнения охватывающего резьбового элемента, образуя уплотнение металл/металл.
В продолжение четвертого участка Р4 передняя оконечная поверхность охватываемого резьбового элемента находится в осевом примыкании с кольцевой поверхностью упора свинчивания охватывающего резьбового элемента. Указанный четвертый участок Р4 соответствует завершающей фазе свинчивания.
Крутящий момент свинчивания, который соответствует концу третьего участка Р3 и началу четвертого участка Р4, именуется крутящим моментом на заплечике (CAB).
Крутящий момент свинчивания, который соответствует концу четвертого участка Р4, именуется крутящим моментом пластификации (СР). После указанного крутящего момента пластификации СР предполагается, что охватываемый упор свинчивания (оконечная часть охватываемого резьбового элемента) и/или охватывающий упор свинчивания (зона, расположенная за кольцевой поверхностью упора охватывающего резьбового элемента) подвергается пластической деформации, что может ухудшать рабочие характеристики в отношении непроницаемости контакта между поверхностями уплотнения путем пластификации также и поверхностей уплотнения.
Разность между значениями крутящего момента пластификации СР и крутящего момента на запле-чике CAB именуется сопротивлением крутящему моменту на заплечике CSB (CSB=CP-CAB). Резьбовое трубное соединение подвергается оптимальной посадке с натягом в конце свинчивания, что гарантирует оптимальную механическую прочность резьбового соединения, например в отношении растягивающих усилий, но также и в отношении случайного развинчивания в процессе эксплуатации, а также в отношении оптимальных рабочих характеристик уплотнения.
Поэтому проектировщик резьбового соединения обязан определить для резьбового соединения данного типа значение для оптимального крутящего момента свинчивания, которое для всех соединений этого типа соединения должно быть меньше, чем крутящий момент пластификации СР (во избежание пластификации упоров и сопутствующих неблагоприятных условий), и больше, чем крутящий момент на заплечике, CAB. Завершение свинчивания с крутящим моментом меньше CAB подразумевает, что нельзя гарантировать правильное относительное позиционирование охватываемого и охватывающего резьбовых элементов и, таким образом, эффективную посадку с натягом между их поверхностями уплотнения. Кроме того, существует угроза развинчивания. Эффективное значение крутящего момента на заплечике CAB для одного и того же типа соединения может колебаться от одного соединения к другому, поскольку оно зависит от диаметральных и осевых допусков на обработку охватываемых и охватывающих резьб и поверхности (поверхностей) уплотнения. Оптимальный крутящий момент свинчивания должен быть значительно выше, чем крутящий момент на заплечике CAB.
Чем выше значение сопротивления крутящему моменту на заплечике, CSB, тем больше запас для определения оптимизированного крутящего момента свинчивания, и тем больше резьбовое соединение
будет устойчиво к рабочим напряжениям.
Испытания трением осуществлялись с использованием машины бриджменовского типа. Данный тип машин, в частности, был описан в статье D. Kuhlmann-Wilsdorf и др., "Plastic flow between Bridgman anvils under high pressures", J. Mater. Res., vol 6, no 12, Dec 1991. Схематический и функциональный пример машины Бриджмена проиллюстрирован на фиг. 5.
Машина включает: диск DQ, который может приводиться во вращение с выбранными скоростями; первую наковальню ЕС1, предпочтительно конического типа, постоянно прикрепленную к первой лицевой поверхности диска DQ; вторую наковальню ЕС2, предпочтительно конического типа, постоянно прикрепленную ко второй лицевой поверхности диска DQ, противоположной его первой лицевой поверхности; первый ЕР1 и второй ЕР2 элементы давления, такие как, например, плунжеры, которые способны оказывать выбранные осевые давления Р; третью наковальню ЕС3, предпочтительно цилиндрического типа, которая постоянно прикреплена к одной из лицевых поверхностей первого элемента ЕР1 давления; четвертую наковальню ЕС4, предпочтительно цилиндрического типа, которая постоянно прикреплена к одной из лицевых поверхностей второго элемента ЕР2 давления.
Для испытания композиции смазочного материала две детали из материала, идентичного тому, который составляет резьбовой элемент, покрываются указанной композицией с тем, чтобы они образовали первый S1 и второй S2 образцы. Затем первый образец S1 вставляется между свободными лицевыми поверхностями первой ЕС1 и третьей ЕС3 наковален, а второй образец S2 - между свободными лицевыми поверхностями второй ЕС2 и четвертой ЕС4 наковален. Затем диск DQ вращается с выбранной скоростью с одновременным приложением выбранного осевого давления Р (например порядка 1 ГПа) каждым из элементов давления, первым ЕР1 и вторым ЕР2, и измеряется крутящий момент свинчивания, которому подвергается каждый из образцов S1, S2. В испытании Бриджмена осевое давление, скорость вращения и угол вращения выбираются так, чтобы смоделировать контактное давление Герца и относительную скорость поверхностей примыкания в конце свинчивания. При использовании указанной машины можно фиксировать различные пары параметров (крутящий момент свинчивания, скорость вращения) с тем, чтобы прилагать предварительно определенные крутящие моменты свинчивания к образцам S1 и S2 и, таким образом, проверять, точно ли образцы S1 и S2 следуют заданному профилю крутящего момента свинчивания, и, в частности, способны ли они достигнуть количества завершенных оборотов перед заеданием, которое, по меньшей мере, равно пороговому значению, выбранному в отношении выбранных крутящих моментов свинчивания.
В данном случае, контактное давление повышалось до 1 ГПа, и скорость вращения повышалась до 1 об/мин. Испытываемые образцы формировались из нержавеющей стали, содержащей 13% Cr, подвергались механической обработке, а затем покрывались различными составами сухих пленок, перечисленными ниже в таблице, с определением сопротивления крутящему моменту на заплечике (ToSR или CSB).
Склерометрическая проба, схематически показанная на фиг. 4, позволяет определять силу адгезии, или адгезию пленки, на поверхности или на подготовленной поверхности. Данный способ, который заключается в сдвиге и деформации пленки сферическим шариком, подвергаемым возрастающей нагрузке, также позволяет определить два основных трибологических параметра, а именно: коэффициент трения и критическую нагрузку, соответствующую проявлению потери когезии пленки.
Экспериментальные условия задействуют сферический индентор, сформированный из Inconel 718, с диаметром 5 мм и металлический образец, описанный выше, с использованием следующих параметров: увеличение нагрузки от 10 до 310 Н (со скоростью увеличения нагрузки 15 Н/с, скорость перемещения шарика 2 мм/с, период 20 с и длина пробега 40 мм).
Измеренный коэффициент трения является низким и находится в диапазоне ц=0,05 для нагрузки 5 Н и ц=0,09 - для нагрузки 80 Н; в частности, измерение ц, равное 0,06, было получено для нагрузки 80 Н на подготовленной поверхности, относящейся к типу электролитического покрытия Cu-Sn-Zn. Необходимо явным образом задать нагрузку и рабочие условия испытания для каждого типа покрытия: для термопластичного покрытия термоплавкого типа величина трения измеряется под нагрузкой, которая увеличивается от 10 до 310 Н, в то время как для термореактивного покрытия величина трения измеряется под нагрузкой, которая увеличивается от 250 до 750 Н.
Испытания сопротивления в зависимости от температуры пленки в отношении загрязняющей окружающей среды состояли в оценке адгезии таких загрязнителей, как песок, при увеличении температуры окружающей среды. Точнее, они касались идентификации температуры окружающей среды, выше которой загрязнители больше не могут удаляться из пленки с использованием сжатого воздуха. Это позволяет определить, может ли пленка использоваться в "жарких" районах пустынь. Экспериментальные условия использовали подложки ХС из углеродистой стали, которые подвергались подготовке поверхности, относящейся к типу фосфатирования цинком или электролитического покрытия Cu-Sn-Zn.
Подложки покрывались пленкой с толщиной в диапазоне 30-40 мкм. Затем по меньшей мере на 60 см2 подложки наносился слой формовочного песка (d=1,36).
Затем покрытая песком подложка нагревалась в вентилируемой печи до требуемой температуры в течение 1 ч (Т=50°С - минимальная, 93°С - максимальная). Затем подложка очищалась с использованием
сжатого воздуха, по-прежнему находясь при температуре испытания. В конечном итоге, измерялось остаточное количество песка.
Критерием приемки было максимальное количество остаточного песка 0,5%. Иными словами, 99,5% песка должно было быть удалено.
Вначале мы задались целью идентифицировать рабочие характеристики мигрирующих средств скольжения в термопластичных матрицах, наносимых путем вытягивания из расплава. Выбранные термопластичные матрицы относились к типу сополимерных амидов на основе димера кислоты, поскольку они обладали наилучшей адгезией к подложке и предполагали улучшенную термостойкость. Большинство других термопластичных матриц иногда обладали более слабой адгезией тогда, когда пленка наносилась на подложку, которая при подготовке поверхности подвергалась электролитической обработке. Кроме того, они могли не быть сухими на ощупь, а максимальные рабочие температуры находятся в диапазоне 50-93°С (температура размягчения ниже, чем максимальные температуры). Наконец, они также могут иметь значение сопротивления крутящему моменту на заплечике ниже эталонного порогового значения для консистентной смазки API.
Мы задавались целью идентифицировать влияние мигрирующих средств скольжения, относящихся к типу "полидиметилсилоксанового масла" (PDMS), на значения сопротивления крутящему моменту на заплечике. Результаты, относящиеся к другим мигрирующим средствам скольжения, сравниваются в табл. 1.
Таблица 1
Наименование изделия
Химическая природа
Эта лон
(%)
Обра зец А
(%)
Обра зец В
(%)
Обра зец С
(%)
Обра зец D
(%)
Обра зец Е
{%)
Обра зец F
(%)
Обра зец G
(%)
Обра зец Н
<%)
Обра зец I
(%)
Матрица Termelt 105
Чистая сополиамид ная смола
(Та=+23°С)
100
SP19
Микрокрисг
аллический воск
Superslip 6515
Смесь
ВОСКОЕ
PE/EBS
Crodamide ER
Эрукамидн ый воск
Crodamide SR
Стеарамидн ый воск
Crodamide EBO
Эгилен-бис-олеамид
Crodamide EBS
Этилен-бис-стеарамид
Rhodorsil 47 V1000
PDMS (1000 мм2/с, 25Т)
Elevast R170
Углеводоро дное масло, без
фталатов (70 мм2/с, 40°С)
Fomblin YR1500
Перфторпол иэфир (1500 мм7с 25° С)
ToSR no Бриджмеиу
ToSR:
114
31%
59%
27%
62%
105%
116%
137%
102%
131%
В табл. 1 показано, что по сравнению с восками масла оказывают небольшое влияние или не оказывают влияния на значение сопротивления крутящему моменту на заплечике. Силиконовые и перфтори-рованные масла (полидиметилсилоксанового и перфторполиэфирного типа) улучшают значение сопротивления крутящему моменту на заплечике путем проявления вязкоупругих свойств в термопластичной матрице.
Воски первичных амидов, в частности воски ненасыщенных первичных амидов (Crodamide ER), под действием сдвига обладают исключительно вязкопластичными реологическими свойствами. Воски вторичных амидов проявляют вязкоупругие свойства, которые улучшают значение сопротивления крутящему моменту на заплечике. Это можно объяснить ненасыщенной структурой, которая предполагает низкое сопротивление сдвигу во время трения.
Затем было изучено влияние концентрации средства скольжения, в частности масла полидиметил-силоксанового типа, на значение сопротивления крутящему моменту на заплечике. Результаты показаны в табл. 2.
Наименование
Химическая
Эталон
Образец А
Образец В
Образец С
изделия
природа
(%)
(%)
(%)
(%)
Termelt
Чистая
100
105
сополиамидная
смола
(Те=+23°С)
Rhodorsil
PDMS
47 V1000
(1000 мм2/с, 25°С)
ToSR по
ToSR
114%
137%
131%
136%
Бриджмену
В табл. 2 показано, что увеличение концентрации полидиметилсилоксана не увеличивает значение сопротивления крутящему моменту на заплечике.
Затем было изучено влияние концентрации скользящего средства, в частности масла полидиметил-силоксанового типа, на устойчивость пленки к повышенной температуре, в частности за счет эффекта пластификации и снижения точки размягчения. Термостойкость определяли с использованием испытания устойчивости в загрязняющей окружающей среде при повышенной температуре.
Как видно из табл. 3, термостойкость остается неизменной при концентрации масла в диапазоне 5-10%.
Коэффициенты трения (COF) восков вторичных амидов и, преимущественно, силицированных масел оценены в табл. 4 и 5 для термопластичной матрицы, включающей по меньшей мере один сополиа-мид на основе димера кислоты.
Таблица 4
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
А(%)
Эталон В
(%)
Образец
(%)
Образец (%)
Termelt 105
Чистая
сополиамидная
смола
(Те=+23°С)
100
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -
26°С)
100
Rhodorsil 47 V1000
PDMS
(1000мм2/с, 25°С)
Склерометр ическа я проба
Средний COF, 5-80 Н
0,296
0,206
0,121
0,063
Склерометр ическа я проба
Средний COF, 10-310 Н
0,230
0,169
0,099
0,104
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон (%)
Образец А
(%)
Образец В
(%)
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -
26°С)
100
85,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
9,5
Rhodorsil 47 V1000
PDMS (1000 мм2/с, 25°С)
Склерометрическая проба
Средний COF, 5-80 Н
0,206
0,102
0,035
Склерометрическая проба
Средний COF, 10-310 Н
0,169
0,125
0,084
ToSR по Бриджмену
ToSR
147%
108%
104%
Синергетический эффект воска вторичного амидного и полидиметилсилоксанового масла подразумевает, что при низких контактных давлениях может быть получен очень низкий коэффициент трения, порядка 0,03-0,04, и 0,08 при предельных контактных давлениях до 1,1 ГПа.
Измеряли коэффициенты трения для широкого диапазона амидных восков (показаны в табл. 1) в сополиамидной термопластичной матрице (Thermelt 105). Результаты представлены на фиг. 6, где показано изменение коэффициента трения в зависимости от времени при увеличении нагрузки от 10 до 310 Н. При контактных давлениях в диапазоне 250 МПа-1,1 ГПа эрукамидный воск обладает наиболее стабильным и самым низким коэффициентом трения (COF) в диапазоне 0,04-0,08 (контактные давления определяли с использованием модуля Юнга для подготовки поверхности и его же - для пленки при низких нагрузках). Это подтверждает первые результаты табл. 1.
Высокие требования к значениям сопротивления крутящему моменту на заплечике и/или некоторые применения могут потребовать использование восков насыщенных или ненасыщенных вторичных амидов.
Изучали влияние концентрации и молекулярной массы полидиметилсилоксановых масел в термопластичных матрицах.
В табл. 6 представлены изменения концентраций полидиметилсилоксанового масла в сополиамид-ной термопластичной матрице с воском вторичного амида.
Таблица 6
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
(%)
Образец
А(%)
Образец
(%)
Образец
(%)
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Ts = -
26°С)
89,5
86,5
85,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
9,5
9,5
9,5
Rhodorsil 47 V1000
PDMS
(1000 мм2/с, 25°С)
Склерометрическая проба
Средний COF, 5-80 Н
0,102
0,077
0,075
0,035
Склерометрическая проба
Средний COF, 10-310 Н
0,125
0,105
0,108
0,084
Чтобы добиться очень низкого поверхностного трения, необходимо использовать полидиметилси-локсановое масло в минимальной концентрации 5%.
В табл. 7 представлены значения коэффициента трения (COF) для полидиметилсилоксанового масла с различным молекулярным весом.
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
(%)
Образец
А(%)
Образец
(%)
Образец (%)
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -26°С)
85,5
86,5
85,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
9,5
9,5
9,5
Rhodorsil 47 V100
PDMS
(100 мм2/с, 25°С)
Rhodorsil 47V1000
PDMS
(1000 мм2/с, 25°С)
Wacker AK 12500
PDMS
(12500 мм2/с, 25°С)
Склерометрическая проба
Средний COF, 5-80 Н
0,102
0,053
0,035
0,068
Склерометрическая проба
Средний COF, 10-310 Н
0,125
0,086
0,084
0,103
Преимущественным оказывается использовать масло полидиметилсилоксанового типа с вязкостью в диапазоне 100-1000 мм2/с при 25°С. За пределами этого диапазона и при более высоких вязкостях эффект миграции, однако, является частичным. Изучение сухой пленки с термопластичной матрицей на основе сополиамидной смолы методом сканирующей электронной микроскопии демонстрирует указанный эффект частичной миграции. Масло полидиметилсилоксанового типа с вязкостью 1000 мм2/с (т.е. с низким молекулярным весом) концентрируется посредством эффекта миграции во время охлаждения пленки с термопластичной матрицей, нанесенной при помощи расплавной технологии, главным образом в области 5 мкм от поверхности пленки. Напротив, присутствие масла полидиметилсилоксанового типа на поверхности раздела между пленкой и подложкой минимально.
Напротив, масло полидиметилсилоксанового типа с вязкостью 12500 мм2/с (т.е. с высокой молекулярной массой) концентрируется посредством эффекта миграции во время охлаждения пленки термопластичной матрицы, нанесенной с использованием расплавной технологии, главным образом в области 20-25 мкм вблизи от поверхности пленки. Присутствие масла полидиметилсилоксанового типа также имеет незначительную важность для поверхности раздела пленки.
Таким образом, градиент концентрации силиконового масла в пленке модифицирует значение коэффициента трения пленки под нагрузкой.
В табл. 8 показаны композиции, для которых коэффициент трения измеряли касательно кривых фиг. 7 как функцию линейного нарастания нагрузки от 10 до 310 Н.
В табл. 9 показаны другие композиции, для которых коэффициент трения измеряли на кривых фиг. 8 как функцию линейного нарастания нагрузки от 10 до 310 Н.
Указанные кривые показывают более благотворное влияние мигрирующего силиконового масла на снижение значения коэффициента трения по сравнению с мигрирующими восками этилен-бис-стеарамидной химической природы, а также синергетические эффекты с твердыми смазочными материалами классов 1, 2 или 4.
Термин "твердый смазочный материал" в том смысле, как он используется в данном документе, обозначает твердое и стабильное тело, которое при его размещении между двумя поверхностями трения снижает коэффициент трения и уменьшает износ и повреждение поверхностей. Твердые смазочные материалы можно классифицировать по различным категориям, определяемым их механизмом функционирования и структурой, а именно:
класс 1: твердые тела, приобретающие их смазывающие свойства благодаря их кристаллической структуре, например графит, оксид цинка (ZnO) и нитрид бора (BN);
класс 2: твердые тела, приобретающие смазывающие свойства благодаря их кристаллической структуре, а также реакционноспособному химическому элементу в их составе, например дисульфид молибдена MoS2, фторид графита, сульфиды олова, сульфиды висмута, дисульфид вольфрама или фторид кальция;
класс 3: твердые тела, приобретающие смазывающие свойства благодаря их химической реакционной способности, например некоторые химические соединения тиосульфатного типа или Desilube 88(r), продаваемый Desilube Technologies Inc.;
класс 4: твердые тела, приобретающие смазывающие свойства благодаря пластичному или вязко
пластичному характеру под действием фрикционного напряжения, например политетрафторэтилен (PTFE) или полиамиды.
Таблица 8
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
Образец А (%)
Образец В (%)
Образец С
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -26°С)
67,5
67,5
67,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
7,5
7,5
7,5
Rhodorsil
PDMS (100мм2/с,
47V100
25°С)
Rhodorsil 47V1000
PDMS
(1000 мм2/с, 25°С)
Wacker AK 12500
PDMS (12500 мм2/с, 25°С)
Shieldex ACS
Кальций-
ионообменый
аморфный
диоксид
кремния
Carbofluor 3000
Фторид углерода
Timrex KS4
Синтетический графит
Таблица 9
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
(%)
Образец А
(%)
Образец В
(%)
Образец С (%)
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -26°С)
67,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
7,5
Wacker AK 12500
PDMS
(12500 мм2/с, 25°С)
Shieldex AC5
Кальций-
ионообменый
аморфный
ДИОКСИД
кремния
Carbofluor 3000
Фторид углерода
Timrex KS4
Синтетический графит
На фиг. 7 показано, что коэффициент трения уменьшается преимущественно благодаря силиконовым маслам, особенно в случае низких нагрузок (вначале), и как функция от вязкости.
На фиг. 8 показано, что коэффициент трения вначале уменьшается преимущественно благодаря силиконовому маслу в отличие от слоистых твердых смазочных материалов классов 1 и 2 со свойствами расщепления при малом сдвиге. И хотя это явление ослабляется под высокими нагрузками, синергизм между силиконовым маслом и твердыми смазочными материалами подразумевает, что диапазон нагрузок можно расширить.
Добавление мигрирующего силиконового масла в вязкоупругие термопластичные матрицы решает
проблему высокого крутящего момента на заплечике и обеспечивает значение сопротивления крутящему моменту на заплечике по меньшей мере равное эталонному значению в случае консистентной смазки API RP 5A3.
С целью подтверждения гипотез, наблюдаемых в лаборатории на образцах из углеродистой стали с электролитическим покрытием Cu-Sn-Zn, осуществляли свинчивания с использованием соединения 7" 29# L80 VAM ТОР НС.
Изучали влияние вязкости и, как результат, молекулярной массы мигрирующего силиконового масла на значение крутящего момента на заплечике.
Для всех составов сохраняли одну и ту же смазывающую систему, а именно: синергетический эффект между твердыми смазочными материалами класса 2-1. Варьировали только составляющими термопластичной матрицы.
Выбранный эталон получили из патента WO 2010/043316, касающегося понятия деформационно-стойкой термопластичной матрицы. Это подразумевает, что настоящее изобретение можно сравнивать с решением, имеющим значение сопротивления крутящему моменту на заплечике более 100% относительно эталонного значения в случае консистентной смазки API RP 5A3.
Таблица 10
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
(%)
Образец А(%)
Образец
(%)
Образец
Образец
{%)
Termelt 100
Чистая сополиамидная смола (TS=4-23°C)
Termelt 200
Чистая сополиамидная смола (Tg=-26°C)
67,5
67,5
67,5
Dertolyne P2L
Эфирная смола канифоли
(Tg=+50°C)
Ligastab Zn70
Дистеарат цинка
Viscoplex 6-950
Поли(алкил( мет)акрилат)
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
7,5
7,5
Crodamide EBS
Этилен-бис-стеарамвд
7,5
Rhodorsil 47V1000
PDMS (1000 мм2/с,25°С)
Wacker AK 12500
PDMS (12500 мм2/с, 25°С)
Shieldex AC5
Кальций-ионообменный аморфный диоксид кремния
HaloxSZP391
Ортофосфосшшкат
стронцня-кальция-цинка,
гидратированный
Carbofluor 3000
Фторид углерода
Timrex KS4
Синтетический графит
Bi,Oj
Триоксид висмута
Nanolub (R)
Фуллерены WS2
Наименование изделия
Количество свинчиваний без заедания
Отношение
первого
крутящего
момента на
заплечике к
крутящему
моменту
Количество
свинчиваний
с крутящим
моментом на
заплечике
<70%
крутящего
Отношение сопротивления крутящему моменту на заплечике к эталонному значению в
свинчивания
момента свинчивания
случае
консистентной смазки API
Эталон
73%
111%
Образец А
50%
143%
Образец В
Минимум 11 *
49%
Нет данных
Образец С
Минимум 10*
Нет упора (101% второго упора)
92%
Образец D
121%
Нет данных
Крутящий момент на заплечике менее 70% оптимального крутящего момента свинчивания получали путем поддержания сопротивления крутящему моменту на заплечике на уровне 100% и более относительно эталонного значения (консистентная смазка API RP 5A3) при помощи композиции, включающей термопластичную матрицу, включающую в диапазоне 10-25 вес.% по меньшей мере один деформацион-ностойкий материал, по меньшей мере один ингибитор коррозии пигментного типа и по меньшей мере один твердый смазочный материал класса 2, такой как фторид углерода. В качестве ингибиторов коррозии использовали ионообменный диоксид кремния.
В отношении осуществляемых свинчиваний ясно, что включение масла полидиметилсилоксанового типа в матрицу определенного выше типа позволяет поверхностям металл/металл лучше разделяться, когда они находятся под действием трения, тем самым снижая значение крутящего момента на заплечике и гарантируя более высокую устойчивость к заеданию посредством синергетического эффекта со смазывающими свойствами твердых веществ.
Существует явная корреляция между кинетикой миграции при охлаждении мигрирующего масла в зависимости от вязкости и снижением значения коэффициента трения и вязкостью масла полидиметил-силоксанового типа.
Согласно табл. 11, в случае наименьшей вязкости масла полидиметилсилоксанового типа величина крутящего момента на заплечике систематически принимает значения, близкие к 50%.
Для того чтобы обеспечить низкое значение крутящего момента на заплечике в термопластичной матрице, включающей по меньшей мере один деформационностойкий материал, преимущественно, большей частью в отношении количества, оказывается предпочтительным введение масла полидиметил-силоксанового типа с кинематической вязкостью 1000 мм2/с или менее и с молекулярной массой в диапазоне 10000-40000 г/моль.
Заявитель также установил, что мигрирующие воски и масла полидиметилсилоксанового типа также обеспечивают хорошую устойчивость к проникновению воды под действием капиллярности и очень хорошую проницаемость водяного пара. Предполагается, что указанные свойства водонепроницаемости подлежат разработке с целью повышения водонепроницаемости термоплавких термопластичных матриц или термореактивных матриц в водной фазе.
Свойства водонепроницаемости демонстрировали путем измерения контактных углов, которые сами по себе обеспечивают меру способности жидкости к растеканию по поверхности посредством смачивания. Способ состоит в измерении угла касательной профиля капли, нанесенной на подложку, к поверхности рассматриваемой подложки.
Измерение контактных углов может обеспечивать доступ к свободной поверхностной энергии. Оно также позволяет различать полярную или неполярную природу взаимодействий на поверхности раздела жидкость-твердое тело. Поэтому также возможно сделать вывод о гидрофильной или гидрофобной природе поверхности.
Контактный угол измеряли методом нанесения капли с использованием гониометра типа KRUSS DSA 100 и на основании изображений, запечатленных камерой и хранящихся в памяти компьютера, как видно на фиг. 6. Для оцифровки контура капли путем обработки изображения можно использовать программное обеспечение. С его помощью затем можно определить контактный угол с использованием методов интерполяции.
На табл. 12 и 13 показано, что на контактный угол оказывает значительное влияние добавление твердого парафина или масла полидиметилсилоксанового типа, независимо от вязкости и несмотря на то, какую матрицу используют (термоплавкая - табл. 12, и термореактивная в водной фазе - табл. 13).
Оценивали мигрирующие средства скольжения в термопластичных матрицах в водной фазе или в термореактивных матрицах в водной фазе. Поверхность образцов по-прежнему представляла собой углеродистую сталь с электролитическим покрытием Cu-Sn-Zn.
Как было в случае термопластичных термоплавких матриц, мигрирующие масла предполагают возможность уменьшения трения под нагрузкой без затрагивания крутящего момента сопротивления крутящему моменту на заплечике.
В табл. 14 перечислены результаты для термопластичных матриц в водной фазе и, в частности, для дисперсии сополимеров сложных полиэфиров и акрилатов, эмульсии стирол-акриловых сополимеров и
Таблица 12
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон (%)
Образец А
(%)
Образец В
(%)
Termelt 200
Чистая
сополиамидная смола (Tg = -
26°С)
67,5
67,5
Waxso N
Этилен-бис-стеарамид
7,5
7,5
Rhodorsil 47V1000
PDMS (1000 мм2/с, 25°С)
Wacker AK 12500
PDMS
(12500 мм2/с, 25 °С)
Shieldex AC5
Кальций-
ионообменый
аморфный
диоксид
кремния
Carbofluor 3000
Фторид углерода
Timrex KS4
Синтетический графит
дисперсии фторэтиленвинилового эфира.
Наименование изделия
Химическая природа
Эталон
(%)
Образец
А(%)
Эталон
(%)
Образец
В(%)
Эталон
(%)
Образец
С(%)
Lumiflon FD100O
Дисперсия FEVE
85,5
Bayhydur3100
Алифатический
полиизоцианат
HDI
12,5
Ercrothane 433
Дисперсия сополимеров сложных полиэфиров и акрилатов
100
Maincote 1100
Эмульсия стирол-акриловых сополимеров
100
Silres BS 1306
Эмульсия
полидиметилсил
Оксана
Склерометрическая проба
Средний COF при 5-80 Н
0,074
0,05
0,155
0,067
0,224
0,043
Склерометрическая проба
Средний COF при 10-3 ЮН
0,09
0,075
0,16
0,107
0,264
0,095
В то же время подлежал определению диапазон полезных концентраций, при которых пленка сохраняла ее основные свойства. В табл. 15 показаны результаты, полученные для приведенных выше матриц. Критическая нагрузка (Lc) соответствует проявлению потери когезии пленки.
Таблица 15
Наименование изделия
Химическая природа
Образец А1 (%)
Образец А5 <%)
Образец В1 (%)
Образец
В5 (%)
Образец С1 (%)
Образец
С5 (%)
Lumiflon FD1000
Дисперсия FEVE
Bayhydur3100
Алифат ический полиизоцианат HDI
Ercrothane 433
Дисперсия
сополимеров сложных полиэфиров и
акрилатов
Maincote 1100
Эмульсия стирол-акриловых сополимеров
Silres BS 1306
Эмульсия
полидиметилсилоксана
Склерометрическая проба
Средний COF при 580 Н
0,086
0,052
0,148
0,039
0,089
0,041
Склерометрическая проба
Средний COF при 10-310Н
0,11
0,102
0,156
0,121
0,146
0,105
Склерометрическая проба
Критическая нагрузка, 1х(Н)
> 310
187
285
157
217
127
Концентрация 2 вес.% относительно общего состава является преимущественной при получении поверхностного трения менее 0,1 для контактного давления порядка 1,1 ГПа. Она не влияет на адгезионные свойства сухой пленки, в частности на поверхности неполярного электролитического покрытия, относящегося к типу Cu-Sn-Zn.
Использование эмульсии функционализированного полидиметилсилоксана, предпочтительно функционализированного аминогруппами, усиливает адгезионные свойства независимо от поверхности.
Принимая во внимание ряд испытаний, которые были проведены, заявитель придерживается мнения, что чрезвычайно низкий коэффициент трения, в особенности при контакте металл-металл поверхностей уплотнения во время фазы упора, может быть получен путем использования твердых смазочных материалов, обладающих свойствами пластической деформации под предельными контактными напряжениями Герца и при низких скоростях. Максимальное уплотнение соединения, в особенности для высоких крутящих моментов свинчивания, получают путем создания существенно пониженного коэффициен
та трения при условии поддержания сопротивления крутящему моменту на заплечике на максимально возможном уровне.
Настоящее изобретение может, с одной стороны, генерировать крутящие моменты на заплечике, которые являются менее высокими или, самое большее, равными значениям крутящего момента на за-плечике, полученным с консистентной смазкой API, и, с другой стороны могут генерировать значения ToSR, которые являются более высокими или, по меньшей мере, равными значениям, полученным с консистентной смазкой API.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Трубный элемент, предназначенный для бурения и/или эксплуатации углеводородных скважин, имеющий оконечную часть (1, 2), содержащую по меньшей мере одну резьбовую зону (3, 4), отличающийся тем, что оконечная часть (1, 2), по меньшей мере, частично покрыта сухой пленкой (12), состоящей из смазывающей композиции, которая содержит матрицу (13) и по меньшей мере одно мигрирующее средство скольжения (9) в матрице (13) таким образом, что по меньшей мере 65 вес.% средства скольжения (9) распределено в верхнем слое смазывающей сухой пленки (12) толщиной приблизительно 15 мкм, при этом по крайней мере одно мигрирующее средство скольжения выбрано из списка, включающего
силиконовые масла полидиметилсилоксанового типа с поверхностным натяжением менее 24 мН/м и кинематической вязкостью в диапазоне 100-1850 мм2/с при 20°С;
перфторполиэфиры с кинематической вязкостью в диапазоне 150-1850 мм2/с при 20°С или функ-ционализированный алкиламид или фосфат с молекулярной массой в диапазоне 1850-3100 г/моль;
воски насыщенного или ненасыщенного первичного амида эрукамидного, олеамидного или стеара-мидного типа;
воски насыщенного или ненасыщенного вторичного амида этилен-бис-олеамидного или этилен-бис-стеарамидного типа; твердые парафины.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к термопластичному или термореактивному типу и выбрана таким образом, что сухая пленка (12) имеет значение сопротивления крутящему моменту на заплечике, по меньшей мере, равное тому, которое получено с консистентной
смазкой API RP 5 A3.
3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к фторуретановому типу и получена путем отверждения фторэтиленвинилового эфира в водной дисперсии.
4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица относится к термопластичному типу и получена из сополимеров сложных полиэфиров и акрилатов или стирол-акриловых сополимеров в водной дисперсии.
5. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица (13) относится к термопластичному, тянутому из расплава типу.
6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что указанная матрица относится к сополиамидному типу.
7. Элемент по п.5, отличающийся тем, что смазывающая сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения полидиметилсилоксановое масло в диапазоне 5-10 вес.%.
8. Элемент по п.3, отличающийся тем, что сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения приблизительно 2 вес.% полидиметилсилоксанового масла.
9. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смазывающая сухая пленка (12) включает в качестве средства скольжения частицы смазочных материалов классов 1, 2, 3 или 4, предпочтительно фторидов углерода и/или синтетических графитов.
10. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сухая пленка (12) дополнительно включает антикоррозионное средство.
11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что антикоррозионное средство является ионообменным диоксидом кремния.
12. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что покрытый участок оконечной части является предварительно подвергнутым подготовке поверхности, относящейся к типу, который выбирается из группы, образованной пескоструйной обработкой, конверсионными обработками, электролитическим покрытием и нереакционными обработками.
13. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вся указанная резьбовая зона (3, 4) покрыта сухой пленкой (12).
14. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанная оконечная часть (1, 2) включает по меньшей мере одну поверхность уплотнения, предназначенную для контакта металл/металл, и указанная поверхность уплотнения покрыта смазывающей сухой пленкой (12).
15. Резьбовое соединение, полученное в результате соединения двух трубных элементов посредством свинчивания, отличающееся тем, что по меньшей мере один трубный элемент является элементом по любому из пп.1-14.
10.
10.
10.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025807
025807
- 1 -
- 1 -
(19)
025807
025807
- 1 -
- 1 -
(19)
025807
025807
- 4 -
- 3 -
(19)
025807
Таблица 2
025807
Таблица 2
- 8 -
- 8 -
025807
Таблица 5
025807
Таблица 5
- 9 -
- 9 -
025807
Таблица 7
025807
Таблица 7
- 10 -
- 10 -
025807
025807
- 11 -
- 11 -
025807
Таблица 11
025807
- 13 -
- 12 -
025807
Таблица 14
025807
Таблица 14
- 15 -
- 15 -
025807
025807
- 17 -
- 16 -
025807
025807
- 17 -
- 16 -
025807
025807
- 17 -
- 18 -
025807
025807
- 19 -
- 19 -