|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Резьбовое соединение для труб, включающее в себя охватываемую часть и охватывающую часть, каждая из которых имеет поверхность контакта, включающую в себя резьбовую часть и нерезьбовую металлическую контактную часть, причем нерезьбовая металлическая контактная часть включает в себя герметизирующую поверхность и поверхность заплечика, причем поверхность заплечика охватываемой части расположена на концевой поверхности охватываемой части, причем неконтактирующая область, в которой охватываемая часть и охватывающая часть не контактируют друг с другом, находится между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика охватываемой части и охватывающей части, причем резьбовое соединение имеет одну или более канавок, сформированных в поверхности заплечика по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части и проходящих к неконтактирующей области и внутренней части резьбового соединения, отличающееся тем, что по меньшей мере, поверхность контакта по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части имеет сформированное на ней твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами; суммарный объем V (мм 3 ) канавок и вес W (г) твердого смазочного покрытия удовлетворяют следующему уравнению: V/W ≥24 (мм 3 /г). 2. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором каждая из поверхностей заплечика охватываемой части и охватывающей части образована главной поверхностью заплечика и поверхностью подплечика, соединенной с главной поверхностью заплечика, причем поверхность заплечика имеет обратный угол наклона и проходит к внутренней части резьбового соединения, а поверхность подплечика расположена между главной поверхностью заплечика резьбового соединения и неконтактирующей областью и имеет угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, который больше аналогичного угла главной поверхности заплечика резьбового соединения. 3. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором площадь верхнего конца канавок в поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности заплечика. 4. Резьбовое соединение для труб по п.2, в котором область верхнего конца канавок в главной поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности главной поверхности заплечика. 5. Резьбовое соединение для труб по любому из пп.1-4, в котором твердое смазочное покрытие формируется на поверхности контакта охватывающей части. 6. Резьбовое соединение для труб по п.5, в котором поверхность охватываемой части имеет твердое антикоррозионное покрытие, сформированное из отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Резьбовое соединение для труб, включающее в себя охватываемую часть и охватывающую часть, каждая из которых имеет поверхность контакта, включающую в себя резьбовую часть и нерезьбовую металлическую контактную часть, причем нерезьбовая металлическая контактная часть включает в себя герметизирующую поверхность и поверхность заплечика, причем поверхность заплечика охватываемой части расположена на концевой поверхности охватываемой части, причем неконтактирующая область, в которой охватываемая часть и охватывающая часть не контактируют друг с другом, находится между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика охватываемой части и охватывающей части, причем резьбовое соединение имеет одну или более канавок, сформированных в поверхности заплечика по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части и проходящих к неконтактирующей области и внутренней части резьбового соединения, отличающееся тем, что по меньшей мере, поверхность контакта по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части имеет сформированное на ней твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами; суммарный объем V (мм 3 ) канавок и вес W (г) твердого смазочного покрытия удовлетворяют следующему уравнению: V/W ≥24 (мм 3 /г). 2. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором каждая из поверхностей заплечика охватываемой части и охватывающей части образована главной поверхностью заплечика и поверхностью подплечика, соединенной с главной поверхностью заплечика, причем поверхность заплечика имеет обратный угол наклона и проходит к внутренней части резьбового соединения, а поверхность подплечика расположена между главной поверхностью заплечика резьбового соединения и неконтактирующей областью и имеет угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, который больше аналогичного угла главной поверхности заплечика резьбового соединения. 3. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором площадь верхнего конца канавок в поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности заплечика. 4. Резьбовое соединение для труб по п.2, в котором область верхнего конца канавок в главной поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности главной поверхности заплечика. 5. Резьбовое соединение для труб по любому из пп.1-4, в котором твердое смазочное покрытие формируется на поверхности контакта охватывающей части. 6. Резьбовое соединение для труб по п.5, в котором поверхность охватываемой части имеет твердое антикоррозионное покрытие, сформированное из отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы.
Евразийское ои 025932 (13) В1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента (51) Int. Cl. F16L 15/04 (2006.01)
2017.02.28
(21) Номер заявки 201491390
(22) Дата подачи заявки
2013.01.17
(54) РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБ
(31) 2012-008922
(32) 2012.01.19
(33) JP
(43) 2014.10.30
(86) PCT/JP2013/051363
(87) WO 2013/108931 2013.07.25
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
НИППОН СТИЛ ЭНД СУМИТОМО МЕТАЛ КОРПОРЕЙШН (JP); ВАЛЛУРЕК ОЙЛ ЭНД ГЭС ФРАНС (FR)
(72) Изобретатель:
Осима Масахиро, Угаи Син, Окада Такаси, Сасаки Масаеси, Ямагути Сугуру, Сугино Масааки (JP)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(56) WO-A1-2009060729 WO-A1-2011027433
(57) Резьбовое соединение для труб включает в себя охватываемую часть (1) резьбового соединения и охватывающую часть (2) резьбового соединения, каждая из которых имеет поверхность контакта, включающую в себя резьбовую часть (3, 7) и нерезьбовую металлическую контактную часть. Нерезьбовая металлическая контактная часть включает в себя герметизирующую поверхность (5, 8) и поверхность (9, 10, 11, 12) заплечика резьбового соединения. Поверхность заплечика охватываемой части резьбового соединения располагается на концевой поверхности охватываемой части резьбового соединения. Неконтактирующая область (13), в которой охватываемая часть резьбового соединения и охватывающая часть резьбового соединения не входят в контакт друг с другом, присутствует между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения. У резьбового соединения имеется одна или более канавок, сформированных в поверхности заплечика по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения и проходящих до неконтактирующей области и внутренней части резьбового соединения. По меньшей мере, поверхность контакта по меньшей мере одной части из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения имеет сформированное на ней твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами. Суммарный объем V (мм3) канавок и вес W (г) твердого смазочного покрытия удовлетворяют уравнению V/W> 24 (мм3/г).
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для труб (также называемому трубчатым резьбовым соединением), подходящему для соединения труб, применяемых в нефтяной промышленности, и имеющему канавки на поверхности заплечика резьбового соединения для того, чтобы позволить просачиваться текучей среде высокого давления. В частности, настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для труб, которое предотвращает ухудшение эксплуатационных качеств канавок посредством твердого смазочного покрытия.
Уровень техники
В последние годы нефтяные скважины становятся все более глубокими и разрабатываются во все более и более сложных окружающих средах. По этой причине имеется насущная необходимость того, чтобы трубчатые резьбовые соединения, которые используются для соединения труб, применяемых в нефтяной промышленности, включая насосно-компрессорные трубы и обсадные трубы для нефтяных или газовых скважин, имели увеличенное сопротивление сжатию под внутренним и внешним давлением, а также улучшенные герметизирующие свойства.
Фиг. 1А представляет собой поперечное сечение, схематически показывающее структуру типичного резьбового соединения для труб, фиг. 1В представляет собой увеличенное схематическое поперечное сечение части А, изображенной на фиг. 1А, и фиг. 1С представляет собой частичное схематическое поперечное сечение вблизи части буртика резьбового соединения для труб, раскрытого в патентном документе 1.
Как показано на фиг. 1А-1С, трубчатое резьбовое соединение 0 состоит из охватываемой части 1 резьбового соединения, сформированной на наружной поверхности обоих концов стальных труб, и охватывающей части 2 резьбового соединения, сформированной на внутренней поверхности соединения, которая является отдельной частью. Охватываемая часть 1 резьбового соединения имеет резьбовую часть 3 с охватываемой резьбой (наружной резьбой) и часть буртика 4, которая является частью, ближней к концу трубы. Часть буртика 4 имеет герметизирующую поверхность 5, смежную с резьбовой частью 3, и поверхность заплечика 9 резьбового соединения на поверхности переднего конца охватываемой части 1 резьбового соединения.
Соответственно, охватывающая часть 2 резьбового соединения имеет резьбовую часть 7 с внутренней резьбой, герметизирующую поверхность 8, а также поверхность заплечика 11 резьбового соединения. Резьбовые части, герметизирующие поверхности и поверхности заплечика резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения составляют поверхности контакта резьбового соединения.
Резьбовое соединение проектируется таким образом, что когда наружная резьба и внутренняя резьба сжимаются до тех пор, пока поверхности 9 и 11 заплечика резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения не войдут в контакт друг с другом с предопределенным вращающим моментом, их герметизирующие поверхности 5 и 8 тесно входят в контакт друг с другом с предопределенным взаимодействием для того, чтобы сформировать уплотнение металл-металл, которое гарантирует желаемую газонепроницаемость резьбового соединения. Перед сжиманием на поверхности контакта резьбового соединения традиционно наносится консистентная смазка (обычно компаундная смазка) для того, чтобы предотвратить образование поверхностных повреждений резьбы резьбового соединения.
В резьбовом соединении для труб, показанном на фиг. 1С, часть буртика 4 охватываемой части 1 резьбового соединения проходит в осевом направлении и формирует неконтактирующую область 13, где охватываемая часть резьбового соединения и охватывающая часть резьбового соединения не входят в контакт друг с другом между герметизирующими поверхностями 5, 8 и поверхностями заплечика 9, 11 резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения. С помощью расположения части буртика таким образом охватываемая часть резьбового соединения имеет увеличенное сопротивление деформации той части, которая находится ближе к ее переднему концу, чем герметизирующая поверхность. В результате деформирование герметизирующей поверхности охватываемой части резьбового соединения затрудняется даже при комбинированном воздействии давления и усилия в осевом направлении, позволяя таким образом улучшить газонепроницаемость резьбового соединения.
Проиллюстрированное резьбовое соединение имеет другую неконтактирующую область 14 между одним или более витками наружной резьбы охватываемой части 1 резьбового соединения, ближайшими к герметизирующей поверхности 5, и противоположной поверхностью охватывающей части 2 резьбового соединения. Неконтактирующая область 14 формируется путем обеспечения углубления в поверхности охватывающей части резьбового соединения и функционирует как резервуар для сбора консистентной смазки, удаленной с резьбовых частей, которые сжимаются во время свинчивания резьбового соединения.
В резьбовом соединении, показанном на фиг. 1С, у охватываемой части 1 резьбового соединения имеется вторая поверхность 10 заплечика резьбового соединения между поверхностью 9 заплечика резьбового соединения и бесконтактной поверхностью 13. Вторая поверхность 10 заплечика резьбового со
единения имеет больший угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, и меньший радиальный размер по сравнению с поверхностью 9 заплечика резьбового соединения. Внутренняя, большая поверхность 9 заплечика резьбового соединения упоминается как главная поверхность заплечика резьбового соединения, а внешняя, меньшая поверхность 10 заплечика резьбового соединения упоминается как поверхность подплечика. Соответственно, охватывающая часть 2 резьбового соединения имеет поверхность 12 подплечика в дополнение к поверхности 11 заплечика резьбового соединения, которая является главной поверхностью заплечика резьбового соединения. Главные поверхности 9 и 11 заплечика резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения служат для того, чтобы выдерживать напряжение сжатия, прикладываемое во время свинчивания резьбового соединения, а также для того, чтобы ограничивать направленную ради-ально внутрь деформацию конца буртика 4, в то время как поверхности 10 и 12 подплечика служат для того, чтобы ограничивать направленную радиально наружу деформацию главных поверхностей заплечи-ка резьбового соединения, когда главные поверхности заплечика резьбового соединения испытывают напряжение сжатия. В результате главные поверхности заплечика резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения могут устойчиво примыкать
друг к другу.
Когда герметизирующие поверхности и поверхности заплечика резьбового соединения охватываемой части и охватывающей части резьбового соединения входят в тесный контакт с противоположными поверхностями при свинчивании резьбового соединения, неконтактирующая область 13, которая располагается между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика резьбового соединения, становится закрытым пространством. Консистентная смазка и продуктовая жидкость, которые выдавливаются из промежутка между входящими в тесный контакт герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика резьбового соединения, перетекают в закрытое пространство неконтактирующей области 13 и остаются в ней. Если давление текучей среды, заключенной в неконтактирующей области 13, становится высоким из-за увеличенного количества текучей среды, неконтактирующая область 13 стремится радиально расшириться из-за давления, и существует возможность ухудшения газонепроницаемости резьбового соединения, которая достигается плотным контактом между герметизирующими поверхностями охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения.
Следовательно, резьбовое соединение, раскрытое в патентном документе 1, имеет в поверхности заплечика резьбового соединения по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения по меньшей мере одну канавку, которая имеет глубину по меньшей мере 0,1 мм и которая функционирует как канал утечки для находящейся под высоким давлением в неконтактирующей области 13 текучей среды.
Фиг. 2А-2Б представляют собой пояснительные виды, показывающие канавки, сформированные в поверхности заплечика резьбового соединения охватываемой части резьбового соединения. Как показано на этом чертеже, части канавки 9а-1 и 9а-2 (которые совместно образуют канавки 9а) формируются в поверхности 10 подплечика и главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения, соответственно, охватываемой части 1 резьбового соединения.
Канавки 9а проходят поперек как главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения, так и поверхности 10 подплечика охватываемой части 1 резьбового соединения. Канавки 9а могут быть сформированы в поверхности заплечика резьбового соединения охватывающей части резьбового соединения, или часть канавок 9а может быть сформирована в поверхности заплечика резьбового соединения охватываемой части 1 резьбового соединения, а остальная часть может быть сформирована в поверхности заплечика резьбового соединения охватывающей части 2 резьбового соединения. Канавки 9а соединяют неконтактирующую область 13 с внутренней частью трубчатого резьбового соединения 0. Следовательно, даже если текучая среда, заключенная в неконтактирующей области 13, оказывается под высоким давлением, текучая среда высокого давления может просочиться во внутреннюю часть трубчатого резьбового соединения 0 через канавки 9а, и состояние контакта между герметизирующими поверхностями 5 и 8 не изменяется, поддерживая тем самым газонепроницаемость резьбового соединения.
При выполнении свинчивания трубчатого резьбового соединения жидкая консистентная смазка, содержащая большое количество тяжелых металлов, традиционно применяется каждый раз, когда выполняется свинчивание. С точки зрения защиты окружающей среды и рабочей эффективности, были разработаны трубчатые резьбовые соединения, имеющие поверхность, покрытую твердым смазочным покрытием, которое не выделяет в окружающую среду загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы.
Фиг. 3 представляет собой пояснительный вид, показывающий структуру покрытия, сформированного на поверхностях трубчатого резьбового соединения, раскрытого в патентном документе 2, которое является примером трубчатого резьбового соединения, имеющего такое твердое смазочное покрытие. В трубчатом резьбовом соединении 15, которое состоит из охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения, поверхность контакта охватываемой части 1 резьбового соединения имеет образованное в результате предварительной обработки поверхности покрытие 18, которое по желанию может быть обеспечено на стальном субстрате 17 с целью придания поверхности ше
роховатости, и поверх него твердое антикоррозионное покрытие 19 на основе отверждаемой ультрафиолетовым излучением смолы. Поверхность контакта охватывающей части 2 резьбового соединения имеет образованное в результате предварительной обработки поверхности покрытие 21, которое по желанию может быть обеспечено на стальном субстрате 20 с целью придания поверхности шероховатости, и поверх него твердое смазочное покрытие 22.
Твердое смазочное покрытие 22 представляет собой покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, причем текучесть покрытия заметно меняется в зависимости от давления. Покрытие, имеющее такие свойства, может обладать более высокой стойкостью к поверхностному повреждению резьбы по сравнению с твердым смазочным покрытием, которое не имеет вышеописанных реологических свойств (таким как твердое покрытие, изготовленное из термореактивной смолы, содержащей смазочный порошок). В дополнение к этому, этот тип покрытия может обладать функцией самовосстановления благодаря его текучести, которая увеличивается под давлением.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы:
патентный документ 1 - WO 2009/060729 А;
патентный документ 2 - WO 2009/072486 А.
Сущность изобретения
Трубчатое резьбовое соединение 0, раскрытое в патентном документе 1, основано на использовании обычной жидкой консистентной смазки. В этом случае, даже если канавки 9а заполнены жидкой консистентной смазкой, канавки не закупориваются благодаря текучести смазки. А именно, если давление текучей среды, заключенной в неконтактирующей области 13, становится высоким, текучая среда может просочиться во внутреннюю часть трубчатого резьбового соединения через канавки 9а, и неконтакти-рующая область 13 поддерживается при том же самом давлении, что и внутренняя часть резьбового соединения.
Однако если твердое смазочное покрытие, раскрытое в патентном документе 2, которое обладает пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, наносится на трубчатое резьбовое соединение 0, раскрытое в патентном документе 1, во время свинчивания резьбового соединения существует возможность того, что часть твердого смазочного покрытия, которая выдавливается из поверхности заплечика резьбового соединения, затечет в канавки 9а, вызывая тем самым заполнение канавок 9а твердым смазочным покрытием. Если это происходит, вследствие того, что текучесть твердого смазочного покрытия намного меньше, чем текучесть жидкой консистентной смазки, канавки закупориваются и не могут функционировать в качестве канала утечки. В результате давление в неконтактирующей области 13 увеличивается, приводя к ухудшению газонепроницаемости резьбового соединения, которое достигается герметизирующими поверхностями.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить резьбовое соединение для труб, которое имеет твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, сформированное на поверхности контакта по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, составляющих резьбовое соединение, которые имеют канавки, сформированные в поверхности заплечика резьбового соединения, причем возможно предотвращение закупоривания канавок, предотвращающее тем самым уменьшение газонепроницаемости резьбового соединения из-за закупоривания канавок.
Настоящее изобретение представляет собой резьбовое соединение для труб, включающее в себя охватываемую часть резьбового соединения и охватывающую часть резьбового соединения, каждая из которых имеет поверхность контакта, включающую в себя резьбовую часть и нерезьбовую металлическую контактную часть, причем нерезьбовая металлическая контактная часть включает в себя герметизирующую поверхность и поверхность заплечика резьбового соединения, причем поверхность заплечика охватываемой части резьбового соединения располагается на концевой поверхности охватываемой части резьбового соединения, неконтактирующую область, в которой охватываемая часть резьбового соединения и охватывающая часть резьбового соединения не входят в контакт друг с другом, и которая присутствует между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, резьбовое соединение, имеющее одну или более канавок, которые формируются в поверхности заплечика по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения и проходят к некон-тактирующей области и внутренней части резьбового соединения, характеризующееся тем, что, по меньшей мере, поверхность контакта по меньшей мере одной части из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения имеет сформированное на ней твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, и суммарный объем V (мм3) канавок и вес W (г) твердого смазочного покрытия удовлетворяют следующему уравнению (1): V/W> 24 (мм3/г) (1).
Является выгодным формировать твердое смазочное покрытие на всей поверхности охватываемой части резьбового соединения и/или охватывающей части резьбового соединения для того, чтобы облегчить формирование покрытия. Поверхность охватываемой части резьбового соединения или охваты
вающей части резьбового соединения означает поверхность, обращенную к другой части, и в целом проходит от ее резьбовой части до поверхности заплечика резьбового соединения.
В предпочтительном варианте осуществления резьбового соединения для труб каждая из поверхностей заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения имеет главную поверхность заплечика резьбового соединения и поверхность подплечика, соединенную с главной поверхностью заплечика резьбового соединения. Главная поверхность заплечика резьбового соединения имеет обратный угол наклона и проходит к внутренней части резьбового соединения, а поверхность подплечика располагается между главной поверхностью заплечика резьбового соединения и неконтактирующей областью и имеет угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, который больше аналогичного угла для главной поверхности заплечика резьбового соединения. Площадь отверстия (верхнего конца) канавок в поверхности заплечика резьбового соединения или в главной поверхности заплечика резьбового соединения предпочтительно составляет не более 40% площади поверхности заплечика резьбового соединения или главной поверхности заплечика резьбового соединения.
В резьбовом соединении для труб в соответствии с настоящим изобретением, которое имеет некон-тактирующую область между герметизирующей поверхностью и поверхностью заплечика резьбового соединения, а также канавку, которая функционирует в качестве канала утечки, когда давление текучей среды, заключенной в неконтактирующей области, становится высоким, несмотря на присутствие твердого смазочного покрытия, обладающего пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, сформированного на поверхности контакта по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, заполнение канавки смазочным покрытием, которое может привести к плохой работе канавки в качестве канала утечки, предотвращается. В результате становится возможным надежно предотвратить ухудшение качества герметизации и, следовательно, газонепроницаемости резьбового соединения из-за чрезмерно увеличенного давления текучей среды, заключенной в неконтактирующей области. Резьбовое соединение для труб в соответствии с настоящим изобретением обладает улучшенной устойчивостью к поверхностным повреждениям резьбы, а также антикоррозионными свойствами, так как поверхность контакта имеет твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1А представляет собой поперечное сечение, схематично показывающее структуру типичного резьбового соединения для труб, фиг. 1В представляет собой увеличенное схематическое поперечное сечение части А, изображенной на фиг. 1А, и фиг. 1С представляет собой частичное схематическое поперечное сечение области вокруг части буртика резьбового соединения для труб, раскрытого в патентном документе 1.
Фиг. 2А-2С представляют собой пояснительные виды, показывающие канавки, сформированные в главной поверхности заплечика резьбового соединения и поверхности подплечика охватываемой части резьбового соединения, а фиг. 2D представляет собой увеличенное продольное поперечное сечение области вокруг границы между поверхностью подплечика и главной поверхностью заплечика резьбового соединения.
Фиг. 3 представляет собой пояснительный вид, показывающий структуру покрытия, сформированного на поверхностях контакта охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения.
Фиг. 4 представляет собой график, показывающий зависимость между суммарным объемом канавок и весом покрытия твердой смазки, полученную при испытании уплотнения.
Фиг. 5 представляет собой график, показывающий изменение поверхности контакта главной поверхности заплечика резьбового соединения в зависимости от ширины канавок в резьбовом соединении для труб, раскрытом в патентном документе 1, имеющих двухуровневые поверхности заплечика резьбового соединения со сформированными на них канавками и имеющих наружный диаметр 10 - 3/4" (27,3 см) и номинальный вес 60,7 фунтов/фут (90,4 кг/м).
Фиг. 6 представляет собой пояснительный вид, показывающий способ измерения давления в некон-тактирующей области.
Способы осуществления изобретения
Настоящее изобретение будет объяснено со ссылками на прилагаемые чертежи. Резьбовое соединение для труб имеет структуру, подобную обычному резьбовому соединению для труб, объясненному со ссылками на фиг. 1А-1С, фиг. 2А-2В и фиг. 3, так что в последующем объяснении будут делаться ссылки на эти чертежи.
Как показано на фиг. 1А-1С, резьбовое соединение 30 для труб в соответствии с настоящим изобретением состоит из охватываемой части 1 резьбового соединения, которая является элементом соединения, имеющим наружную резьбу, и охватывающей части 2 резьбового соединения, которая является элементом соединения, имеющим внутреннюю резьбу.
Как показано на фиг. 1А, типичные резьбовые соединения для труб являются соединениями такого типа, в котором охватываемая часть 1 резьбового соединения формируется на внешней поверхности обо
их концов стальной трубы, а охватывающая часть 2 резьбового соединения формируется на внутренней поверхности соединительного элемента, который является отдельной частью. Существуют также целостные резьбовые соединения, которые не используют соединительный элемент и в которых один конец стальной трубы выполняется как охватываемая часть 1 резьбового соединения, а другой конец стальной трубы выполняется как охватывающая часть 2 резьбового соединения. Резьбовое соединение 30 для труб в соответствии с настоящим изобретением может иметь любой из этих типов. В нижеследующем объяснении настоящее изобретение будет объяснено в отношении резьбового соединения 30 для труб, имеющего тип соединения, показанный на фиг. 1А.
Резьбовое соединение 30 для труб в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно применяется к стальной трубе, имеющей отношение (t/D) толщины стенки t (мм) к наружному диаметру D (мм) по меньшей мере 0,03 и самое большее 0,17. Будет дан пример случая, в котором толщина стенки составляет 9-16 мм, а наружный диаметр составляет от 9-1/2 дюймов до 13-1/2 дюймов.
Охватываемая часть 1 резьбового соединения и охватывающая часть 2 резьбового соединения имеют поверхности контакта, которые входят в контакт друг с другом при свинчивании резьбового соединения. Поверхность контакта охватываемой части 1 резьбового соединения включает в себя резьбовую часть 3, имеющую наружную резьбу, и нерезьбовую металлическую контактную часть, расположенную ближе к переднему концу охватываемой части резьбового соединения. Часть охватываемой части резьбового соединения, которая находится ближе к переднему концу, чем резьбовая часть 3, является частью буртика 4. Нерезьбовая металлическая контактная часть, сформированная на части буртика 4 охватываемой части 1 резьбового соединения, включает в себя герметизирующую поверхность 5, расположенную в непосредственной близости от резьбовой части 3, и поверхность заплечика резьбового соединения (также называемую затяжной поверхностью заплечика резьбового соединения), сформированную на концевой поверхности охватываемой части 1 резьбового соединения. Соответственно, охватывающая часть 2 резьбового соединения имеет резьбовую часть 7, имеющую внутреннюю резьбу, герметизирующую поверхность 8 и поверхность заплечика резьбового соединения.
Для обычного высококачественного соединения требуется характеристика сжатия, составляющая приблизительно 40-60% от предела текучести материала трубы, а в некоторых нефтяных скважинах необходимое значение характеристики сжатия составляет более 80%. Конечно же, сжимающая нагрузка воспринимается не только заплечиками, но также и резьбовыми частями, и если используется резьба, обладающая хорошей способностью выдерживать сжимающую нагрузку, нагрузка на заплечиках может быть уменьшена на величину этой нагрузки. Однако толщина части буртика 4 (толщина стенки охватываемой части резьбового соединения на середине герметизирующей поверхности 5) составляет по меньшей мере 25% и предпочтительно по меньшей мере 50% толщины стенки трубы, так что часть буртика будет иметь требуемую устойчивость к сжатию.
Чем больше толщина герметизирующей поверхности охватываемой части резьбового соединения, тем больше ее способность к герметизации при внешнем давлении. Следовательно, на внутренней поверхности конца части буртика может быть сформирована фаска для того, чтобы предотвратить турбулентность путем увеличения округлости.
Форма герметизирующих поверхностей 5 и 8 охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения может быть образована прямой линией, которая наклонена относительно оси соединения, или кривой линией, такой как круговая дуга (первая из них будет упоминаться как поверхность в форме усеченного конуса, а последняя будет упоминаться как криволинейная поверхность вращения), или она может представлять собой поверхность вращения, сформированную путем вращения вокруг оси соединения сегмента линии, который является комбинацией обеих линий (а именно, комбинацией поверхности в форме усеченного конуса и криволинейной поверхности вращения). Предпочтительно герметизирующая поверхность одной из охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения образуется поверхностью в форме усеченного конуса, а герметизирующая поверхность другой части является криволинейной поверхностью вращения или комбинацией криволинейной поверхности вращения и поверхности в форме усеченного конуса. В результате качество герметизации соединения увеличивается, и поверхностное повреждение резьбы становится затруднительным.
Если угол наклона герметизирующих поверхностей 5 и 8 относительно оси трубы является слишком крутым, это приводит к уменьшению давления герметизирующего контакта при растягивающем усилии, а если наклон является чересчур пологим, из-за увеличения расстояния сдвига легче происходит поверхностное повреждение резьбы. Угол наклона герметизирующих поверхностей находится в диапазоне от 5 до 25° и предпочтительно в диапазоне от 10 до 20°. Когда используется коническая резьба, угол наклона герметизирующих поверхностей больше, чем угол наклона резьбы 3, 7. Например, угол наклона резьбы составляет от 1 до 5° и предпочтительно приблизительно 1,6°.
В проиллюстрированном варианте осуществления, как показано на фиг. 1С, поверхность заплечика охватываемой части 1 резьбового соединения имеет двухуровневую структуру, имеющую главную поверхность 9 заплечика резьбового соединения на внутренней стороне и поверхность 10 подплечика на внешней стороне, которая является смежной с главной поверхностью заплечика резьбового соединения.
Главная поверхность 9 заплечика резьбового соединения является обратной поверхностью заплечика резьбового соединения, имеющей обратный угол наклона (наклоненной в обратном направлении к центру трубы относительно направления вставки охватываемой части резьбового соединения). Аналогичным образом, поверхность заплечика охватывающей части 2 резьбового соединения также имеет двухуровневую структуру, имеющую главную поверхность 11 заплечика резьбового соединения и поверхность 12 подплечика.
Поверхности контакта охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, т.е. резьбовые части, герметизирующие поверхности и их поверхности заплечика резьбового соединения проектируются таким образом, что когда охватываемая часть 1 резьбового соединения вставляется в охватывающую часть 2 резьбового соединения и витки резьбы сжимаются до тех пор, пока поверхности заплечика резьбового соединения не войдут в контакт друг с другом с предопределенным вращающим моментом, их герметизирующие поверхности тесно входят в контакт друг с другом с предопределенным натягом для того, чтобы сформировать уплотнение металл-металл. Когда поверхности заплечика резьбового соединения имеют двухуровневую структуру, включающую в себя внутренние главные поверхности заплечика резьбового соединения и внешние поверхности подплечика, как показано на фиг. 1С, затяжка витков резьбы выполняется до тех пор, пока главные поверхности заплечика резьбового соединения не войдут в контакт друг с другом с предопределенным вращающим моментом.
Угол наклона 81 главных поверхностей 9, 11 заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, меньше, чем угол наклона 82 поверхностей 10, 12 подплечика. Радиальный размер (толщина стенки) главных поверхностей 9, 11 заплечика резьбового соединения больше, чем радиальный размер поверхностей 10, 12 подплечика. В результате главные поверхности 9, 11 заплечика резьбового соединения служат для того, чтобы выдерживать сжимающее усилие, прикладываемое во время свинчивания резьбового соединения, а также ограничивают направленную радиально внутрь деформацию конца буртика 4, в то время как поверхности 10, 12 подплечика служат для того, чтобы ограничивать направленную радиально наружу деформацию главных поверхностей заплечика резьбового соединения, когда главные заплечики воспринимают сжимающее усилие.
Угол наклона 81 главных поверхностей 9, 11 заплечика резьбового соединения относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, предпочтительно находится в диапазоне 5-25° и более предпочтительно в диапазоне 10-20°. Главные поверхности заплечика резьбового соединения имеют обратный угол наклона, т.е. они наклонены в обратном направлении к центру трубы относительно направления вставки охватываемой части резьбового соединения, в то время как поверхности подплечика наклонены вперед по направлению к центру трубы относительно направления вставки охватываемой части резьбового соединения.
Предпочтительно угол наклона 82 поверхностей подплечика относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, составляет 60-85°, а именно, поверхности подплечика наклонены относительно оси трубы под углом 5-30°. Угол наклона у поверхностей 10, 12 подплечика предпочтительно больше, чем угол наклона герметизирующих поверхностей 5, 8. Толщина стенки главной поверхности 9 заплечика охватываемой части 1 резьбового соединения предпочтительно больше, чем толщина стенки поверхности 10 подплечика, по меньшей мере в 1,5 раза, более предпочтительно по меньшей мере в 2,5 раза и не более чем в 6 раз, и наиболее предпочтительно по меньшей мере в 3 раза и не более чем в 5 раз.
Соединение между главной поверхностью 9 заплечика резьбового соединения и поверхностью 10 подплечика охватываемой части 1 резьбового соединения предпочтительно образует закругленный гребень с радиусом, самое большее, 1,5 мм. В результате поверхность контакта главной поверхности запле-чика резьбового соединения и поверхности подплечика резьбового соединения может быть максимизирована, и достигается увеличение устойчивости к сжатию и подавление деформации в радиальном направлении поверхности заплечика резьбового соединения.
Части формы резьбового соединения для труб описываются в вышеупомянутом патентном документе 1. Как описано в патентном документе 1, поверхности 10, 12 подплечика иногда не входят в контакт друг с другом при свинчивании резьбового соединения, но в настоящем изобретении они рассматриваются как поверхности контакта.
Более конкретно, геометрический диаметральный натяг (разность диаметров, измеренных в рефе-ренсной плоскости перед сжатием охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения) поверхностей подплечика резьбового соединения составляет не более чем 1,1 от натяга герметизирующих поверхностей и предпочтительно является по существу равным геометрическому диаметральному натягу герметизирующих поверхностей. Выражение "по существу равный" допускает изменение вплоть до 5%.
Путем проектирования поверхностей 10, 12 подплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения таким образом, чтобы они имели приблизительно такой же натяг, что и между герметизирующими поверхностями 5, 8 в нормальном сжатом состоянии, весь буртик охватываемой части резьбового соединения будет загибаться в направлении внутрь (уменьшаться
в диаметре) благодаря эффекту натяга герметизирующих поверхностей охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, и поверхность подплечика охватываемой части резьбового соединения будет загибаться в направлении внутрь, по меньшей мере, на ту же самую величину, которую имеет натяг герметизирующих поверхностей, так что контакт между поверхностями подплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения не будет иметь места.
Однако, в нормальном сжатом состоянии допустимо, чтобы подплечики 10, 12 входили в контакт друг с другом. В этом случае контактное давление подплечиков составляет не более 50% контактного давления герметизирующих поверхностей, так, чтобы оно не оказывало неблагоприятного воздействия на герметизирующие свойства.
Нормальное сжатое состояние означает, что охватываемая часть резьбового соединения и охватывающая часть резьбового соединения сжимаются так, чтобы достичь надлежащего крутящего момента затяжки, который устанавливается фирмой-производителем соединения в соответствии с формой и материалом соединения. В нормальном сжатом состоянии поверхности заплечика резьбового соединения (главные поверхности заплечика резьбового соединения в случае резьбового соединения в соответствии с настоящим изобретением) охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения входят в контакт друг с другом с определенным натягом без общего выхода или обширной пластической деформации.
Настоящее изобретение может быть применено к резьбовому соединению для труб, в котором каждая из поверхностей заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения не имеет поверхности подплечика и состоит из одной только главной поверхности заплечика резьбового соединения.
Резьбовое соединение для трубы 30 в соответствии с настоящим изобретением имеет неконтакти-рующую область 13 между герметизирующими поверхностями 5, 8 и поверхностями заплечика резьбового соединения (в случае двухуровневой структуры заплечика резьбового соединения, поверхностями подплечика, которые находятся ближе к герметизирующим поверхностям) охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, а также имеет одну или более канавок, сформированных в поверхности заплечика резьбового соединения по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения и проходящих до неконтактирующей области 13 и до внутренней части резьбового соединения 30 (внутреннего конца за-плечика резьбового соединения). Когда поверхности заплечика охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения имеют двухуровневую структуру, как показано на фиг. 2А-2С для поверхности заплечика, канавка состоит из части канавки 9а-1, сформированной на внешней поверхности 10 подплечика (именуемой в дальнейшем внешней частью канавки 9а-1), и части канавки 9а-2, сформированной на внутренней главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения (именуемой в дальнейшем внутренней частью канавки 9а-2), которые соединены друг с другом. Канавка, составленная этими двумя частями канавки, упоминается как канавка 9а.
Длина неконтактирующей области 13 в осевом направлении выбирается так, чтобы было возможным решение вышеупомянутой задачи, т.е. достижение увеличения сопротивления деформации герметизирующих поверхностей. В случае размера труб, который используется для труб, применяемых в нефтяной промышленности (в диапазоне наружных диаметров от 50 до 550 мм), осевая длина (продольная длина) неконтактирующей области 13 предпочтительно находится в диапазоне приблизительно от 4 до 20 мм. Когда поверхности заплечика резьбового соединения имеют вышеупомянутую двухуровневую структуру, принимая во внимание тот факт, что поверхности подплечика могут не входить в контакт друг с другом, предпочтительно, чтобы общая осевая длина неконтактирующей области 13 и поверхности 10, 12 подплечика была в диапазоне от 4 до 20 мм. Размер в радиальном направлении (перпендикулярном к осевому направлению) неконтактирующей области 13 предпочтительно составляет от 0,1 до 1 мм.
В проиллюстрированном варианте осуществления неконтактирующая область 13 состоит из конусообразных поверхностей охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения. В этом случае поверхность этой области охватывающей части резьбового соединения действует в качестве направляющей, когда охватываемая часть резьбового соединения вставляется в охватывающую часть резьбового соединения, посредством чего герметизирующие поверхности охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения могут войти в контакт друг с другом устойчивым образом, что приводит к улучшению эффективности герметизации и устойчивости к поверхностному повреждению резьбы. Угол наклона формирующих неконтактирующую область конусообразных поверхностей относительно осевого направления предпочтительно составляет менее 10° и меньше, чем угол наклона герметизирующих поверхностей. Поверхности охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, формирующие неконтактирующую область 13, могут быть цилиндрическими поверхностями, которые параллельны осевому направлению трубы. Путем использования этой формы толщина стенки заплечика охватываемой части резьбового соединения может быть увеличена в пределах ограниченной толщины стенки стальной трубы, увеличивая та
ким образом устойчивость резьбового соединения к сжатию.
В проиллюстрированном варианте осуществления канавка 9а формируется в поверхности заплечика охватываемой части резьбового соединения. Однако она может быть сформирована в поверхности запле-чика охватывающей части резьбового соединения, или часть канавки 9а (например, часть канавки 9а-1 в поверхности подплечика) может быть сформирована в охватывающей части резьбового соединения, а остальная часть (например, часть канавки 9а-2 в главной поверхности заплечика резьбового соединения) может быть сформирована в охватываемой части резьбового соединения. Канавка 9а обеспечивает сообщение между неконтактирующей областью 13 и внутренней частью трубчатого резьбового соединения 0. Следовательно, даже если давление текучей среды в неконтактирующей области 13 становится высоким, текучая среда высокого давления может перетечь во внутреннюю часть трубчатого резьбового соединения 0 через канавку 9а. В проиллюстрированном варианте осуществления части канавки 9а-1 и 9а-2 проходят спирально (по диагонали) в поверхности заплечика резьбового соединения.
Для того чтобы достичь вышеописанной функции, когда поверхность заплечика резьбового соединения каждой из охватываемой части и охватывающей части резьбового соединения имеет главную поверхность заплечика резьбового соединения и поверхность подплечика, внешняя часть канавки 9а-1, сформированная в поверхности подплечика, и внутренняя часть канавки 9а-2, сформированная в главной поверхности заплечика резьбового соединения, должны сообщаться друг с другом. Для этой цели, как показано на фиг. 2D, может быть обеспечено углубление 9с с тем, чтобы сформировать соединяющийся канал в круговом направлении задней части заплечика охватывающей части 2 резьбового соединения, противоположной гребню 9b поверхностей 9 и 10 заплечика охватываемой части 1 резьбового соединения (части, соединяющей главную поверхность 9 заплечика резьбового соединения и поверхность 10 подплечика охватываемой части 1 резьбового соединения), по меньшей мере, от точки, противоположной внутреннему концу внешней части канавки 9а-1, до точки, противоположной внешнему концу внутренней части канавки 9а-2 (как показано жирными линиями на фиг. 2В). Таким образом части канавки 9а-1 и 9а-2 соединяются через углубление 9с, предусмотренное в охватывающей части резьбового соединения вдоль гребня 9b охватываемой части резьбового соединения. Альтернативно, соединительный канал между частями канавки 9а-1 и 9а-2 может быть получен путем формирования фаски или углубления вдоль гребня 9b, по меньшей мере, от внутреннего конца внешней части канавки 9а-1 до внешнего конца внутренней части канавки 9а-2. Такой соединительный канал может быть сформирован вокруг всей окружности. Для того чтобы избежать закупоривания, соединительный канал предпочтительно имеет площадь поперечного сечения, которая по меньшей мере в два и более предпочтительно по меньшей мере в три раза больше площади поперечного сечения частей канавки 9а-1 и 9а-2.
Как показано на фиг. 2С, внешняя часть канавки 9а-1 и внутренняя часть канавки 9а-2 могут быть непосредственно связаны, если внутренний конец внешней части канавки 9а-1 примыкает к внешнему концу внутренней части канавки 9а-2. Такая конструкция делает ненужным формирование соединительного канала, описанное выше, но, как показано на фиг. 2А, обеспечение внешней и внутренней частей канавки 9а-1 и 9а-2 в одном и том же положении в круговом направлении делает нарезание канавки (формирование канавок) несколько более легким. В любом случае нарезание частей канавки 9а-1 и 9а-2 может быть выполнено с использованием, например, токарного станка с ЧПУ.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения внешняя часть канавки 9а-1 и внутренняя часть канавки 9а-2 не проходят по диагонали, как показано на фиг. 2А-2С, а проходят в радиальном направлении, и предпочтительно две части канавки, проходящие в радиальном направлении, непосредственно соединены друг с другом. Таким образом длина каждой части канавки минимизируется, текучая среда может легко просачиваться, а нарезание канавки может быть выполнено без использования токарного станка с ЧПУ. Однако при этом необходимо использовать специальное режущее устройство для нарезания канавки.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 2В и 2C, для того, чтобы гарантировать сообщение между неконтактирующей областью 13 и внутренней частью трубчатого резьбового соединения, канавка 9а предусматривается в трех равноотстоящих в круговом направлении местах. Достаточно предусмотреть канавку 9а по меньшей мере в одном месте, и не существует никакого специфического верхнего предела количества мест размещения канавки 9а, но обычно достаточно 8 или менее мест. Охватываемая часть 1 резьбового соединения предпочтительно имеет от 2 до 4 таких канавок 9а.
Не существует никакого специфического ограничения на форму поперечного сечения канавки 9а, но она должна иметь такую площадь поперечного сечения, чтобы текучая среда могла проходить через нее. Глубина каждой канавки 9а составляет по меньшей мере 0,1 мм и предпочтительно по меньшей мере 0,2 мм. Для того чтобы предотвратить заметное уменьшение эффективности резьбового соединения при сжатии из-за уменьшения площади поверхности контакта главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения, вызванного формированием канавок 9а, длина в круговом направлении внутренней части канавки 9а-1 и внешней части канавки 9а-2 предпочтительно является такой, что каждая из частей канавки 9а-1 и 9а-2 проходит не более чем на 180° вокруг периферии поверхности заплечика резьбового соединения. Например, как показано на фиг. 2В или 2С, в случае, в котором предусматриваются 3 части канавки 9а-1 и 9а-2 в главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения и поверхности 10 подпле
чика, соответственно, каждая часть канавки 9а-1 и 9а-2 предпочтительно имеет длину вдоль круговой дуги не более 180° и более предпочтительно не более 120°.
Как указано выше, резьбовые части 3 и 7, герметизирующие поверхности 5 и 8, а также поверхности 9, 10 и 11, 12 заплечика охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения, соответственно, составляют поверхности контакта резьбового соединения 30 для труб. Резьбовое соединение должно обладать такими свойствами, как устойчивость к поверхностному повреждению резьбы, газонепроницаемость и коррозионная стойкость. Для этой цели в прошлом перед каждым выполнением свинчивания резьбового соединения на поверхности контакта по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения наносилась консистентная смазка, такая как компаундная смазка, содержащая порошок тяжелого металла. Однако при этом возникали проблемы с точки зрения защиты окружающей среды и рабочей эффективности.
Как показано на фиг. 3, резьбовое соединение для труб в соответствии с настоящим изобретением имеет твердое смазочное покрытие 22, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, по меньшей мере, на поверхности контакта по меньшей мере одной из охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения. Покрытие, которое обладает таким реологическим поведением, не является текучим при атмосферном давлении, но может течь при высоком давлении. А именно, текучесть покрытия заметно изменяется в зависимости от давления. В результате становится возможным придать резьбовому соединению улучшенную устойчивость к поверхностному повреждению резьбы, газонепроницаемость и коррозионную стойкость, позволяя таким образом выполнять свинчивание сустава без применения консистентной смазки и защищать поверхность резьбового соединения от коррозии.
"Твердое смазочное покрытие" означает покрытие, которое является твердым при температуре окружающей среды, и, в частности, оно означает покрытие, которое является твердым при температуре 40°С или ниже. Использующийся в настоящем документе термин "пластический" означает такое свойство материала, которое дает независимую от времени остаточную деформацию при воздействии деформирующей силы. Термин "вязкопластический" означает такое свойство материала, которое дает зависимую от времени остаточную деформацию при воздействии деформирующей силы. Твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами, ведет себя так, что текучесть покрытия значительно изменяется в зависимости от давления, в то время как само смазочное покрытие находится в твердом состоянии.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, поверхность охватываемой части 1 резьбового соединения имеет на стальном субстрате 17 предварительное покрытие 18 для придания поверхностной шероховатости и твердое антикоррозионное покрытие 19, а поверхность охватывающей части 2 резьбового соединения имеет на стальном субстрате 20 предварительное покрытие 21 для придания поверхностной шероховатости и твердое смазочное покрытие 22. Для того чтобы чертежи было легче интерпретировать, твердое смазочное покрытие 22 и другие покрытия на фиг. 1 и на фиг. 2 не изображены.
Твердое смазочное покрытие 22 может быть сформировано на поверхности одной из охватываемой и охватывающей частей резьбового соединения, как показано на фиг. 3. В этом случае покрытие, которое формируется на поверхности другой части, не ограничивается твердым антикоррозионным покрытием и может быть твердым смазочным покрытием, которое не обладает пластическими или вязкопластически-ми реологическими свойствами (например, покрытием, содержащим твердую смазку, рассеянную в термореактивной смоле, такой как эпоксидная смола). Альтернативно, на поверхности другой части может не формироваться вообще никакого покрытия, либо может быть сформировано только предварительное покрытие для подготовки поверхности. В большинстве случаев твердое смазочное покрытие, твердое антикоррозионное покрытие и предварительное покрытие для подготовки поверхности формируются на всей поверхности охватываемой части резьбового соединения или охватывающей части резьбового соединения, но такое покрытие может отсутствовать на части поверхности, отличающейся от поверхности контакта (такой как часть неконтактирующей области 13).
Далее будут объяснены различные покрытия, показанные на фиг. 3.
Предварительная обработка поверхности.
Поверхности контакта охватываемой части 1 и охватывающей части 2 резьбового соединения 30 (резьбовые части, герметизирующие поверхности и поверхности заплечика резьбового соединения) формируются режущими операциями, включая нарезку резьбы, и шероховатость этих поверхностей обычно составляет приблизительно от 3 до 5 мкм. Если шероховатость поверхностей контакта будет больше указанных величин, адгезия покрытия, которое формируется на них, может быть увеличена, и в результате могут быть улучшены такие свойства, как устойчивость к поверхностному повреждению резьбы и коррозионная стойкость. По этой причине на поверхностях контакта по меньшей мере одной и предпочтительно обеих из охватываемой части 1 резьбового соединения и охватывающей части 2 резьбового соединения до формирования покрытия предпочтительно выполняется предварительная обработка поверхности, которая может увеличить поверхностную шероховатость.
Одним типом такой предварительной обработки поверхности является формирование подготови
тельного покрытия 18, 21, обладающего увеличенной поверхностной шероховатостью. Такое формирование может быть выполнено путем химической обработки, такой как фосфатирование, обработка окса-латами или боратами, которая формирует покрытие из игольчатых кристаллов, которые увеличивают поверхностную шероховатость, или путем дробеструйной обработки железными шариками, покрытыми цинком или цинковым сплавом, с тем, чтобы сформировать пористое покрытие на основе цинка.
Другие типы предварительной обработки поверхности включают в себя дробеструйную обработку или пескоструйную обработку и травление. Такие виды обработки могут увеличить поверхностную шероховатость самого субстрата, и тогда никакого предварительного покрытия для подготовки поверхности не требуется.
В качестве предварительной обработки поверхности может использоваться металлическое покрытие, способное увеличивать адгезию твердого смазочного покрытия или твердого антикоррозионного покрытия, хотя оно и не дает эффекта придания поверхности шероховатости. Металлическое покрытие может быть многослойным покрытием, формирующим два или более слоев.
Предварительная обработка поверхности обычно формирует покрытие, имеющее однородную толщину на поверхности резьбового соединения, и форма канавки 9а, по существу, сохраняется после предварительной обработки поверхности.
Твердое антикоррозионное покрытие.
К твердому антикоррозионному покрытию предъявляются следующие требования: оно не должно легко разрушаться под воздействием сил, прикладываемых при установке протектора для защиты поверхности контакта охватываемой части резьбового соединения или охватывающей части резьбового соединения до момента операции свинчивания резьбового соединения, оно не должно растворяться под действием конденсированной воды во время транспортировки или хранения, и оно не должно легко размягчаться даже при температурах, превышающих 40°С.
Твердое антикоррозионное покрытие, имеющее такие свойства, может быть сформировано из термореактивной смолы, но предпочтительно оно является покрытием из смолы, отверждаемой ультрафиолетовыми лучами. Поскольку покрытие из отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы обычно является очень прозрачным, оно предпочтительно формируется на поверхности контакта охватываемой части резьбового соединения. Охватываемая часть резьбового соединения, которая обычно формируется на внешней поверхности концов стальной трубы, более склонна к повреждению во время транспортировки, чем охватывающая часть резьбового соединения. Поэтому во время свинчивания поверхность охватываемой части резьбового соединения и, в частности, поверхность его резьбовой части часто проверяется путем визуальной инспекции на присутствие или отсутствие повреждений. Покрытие из отвер-ждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы не затрудняет такую визуальную инспекцию и позволяет проводить ее без удаления покрытия.
Толщина твердого антикоррозионного покрытия обычно находится в диапазоне от 5 до 50 мкм и предпочтительно в диапазоне от 10 до 30 мкм. Твердое антикоррозионное покрытие обычно формируется однородно на поверхности резьбового соединения, включая канавку и резьбовую часть, и имеет прочную адгезию для того, чтобы защитить поверхность резьбового соединения во время транспортировки и хранения. Следовательно, существует лишь небольшая вероятность того, что оно заполнит вышеупомянутые канавки 9а в поверхности заплечика резьбового соединения и будет препятствовать функционированию канавок в качестве канала утечки.
Более подробная информация по отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смоле находится в вышеупомянутом патентном документе 2.
Твердое смазочное покрытие.
В настоящем изобретении твердое смазочное покрытие, которое обладает пластическими или вяз-копластическими реологическими свойствами и которое может способствовать достижению улучшенной устойчивости к поверхностному повреждению резьбы, газонепроницаемости и антикоррозионных свойств для резьбового соединения труб, формируется на поверхности контакта по меньшей мере одной из охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения. Когда покрытие из отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы формируется на поверхности контакта охватываемой части резьбового соединения в качестве твердого антикоррозионного покрытия, как упомянуто выше, твердое смазочное покрытие формируется на поверхности контакта охватывающей части резьбового соединения. Хотя твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластически-ми реологическими свойствами, подробно объяснено в патентном документе 2, ниже дается краткое объяснение.
Этот тип твердого смазочного покрытия обычно представляет собой покрытие, содержащее небольшое количество твердой смазки, рассеянной в матрице, обладающей пластическими или вязкопла-стическими реологическими свойствами. Предпочтительное твердое смазочное покрытие включает в себя от 70 до 95 мас.% матрицы и от 5 до 30 мас.% твердой смазки. Поскольку пропорция твердой смазки является небольшой, покрытие в целом обладает пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами матрицы.
Матрица предпочтительно имеет температуру плавления в диапазоне от 80 до 320°С. В результате
становится возможным формировать твердое смазочное покрытие путем нанесения распылением расплавленного состава при температуре, по меньшей мере, точки плавления матрицы, используя обычный краскораспылитель. Матрица предпочтительно включает в себя термопластичный полимер, воск и металлическое мыло, и более предпочтительно она дополнительно содержит антикоррозионную добавку и нерастворимую в воде жидкую смолу.
Термопластичный полимер, который используется в матрице, предпочтительно является полиэтиленом. Полиэтилен имеет относительно низкую точку плавления, так что покрытие распылением расплава может быть выполнено при температуре 150°С или ниже, и сформированное покрытие имеет превосходные смазывающие свойства.
Металлическое мыло является мылом из высшей жирной кислоты (жирная кислота, имеющая по меньшей мере 12 атомов углерода) и металла, отличающегося от щелочного металла. Металлическое мыло обеспечивает эффект фиксации осколков, которые образуются во время свинчивания или развинчивания резьбового соединения, и предотвращения их попадания во внешнюю среду. В дополнение к этому металлическое мыло обладает эффектом увеличения маслянистости покрытия за счет уменьшения коэффициента трения, а также оно обладает противокоррозионным действием. Предпочтительным металлическим мылом являются стеарат цинка и стеарат кальция.
Воск выполняет те же самые функции, что и металлическое мыло. Соответственно, твердое смазочное покрытие может содержать только одно из металлического мыла и воска, но предпочтительно, чтобы твердое смазочное покрытие содержало и металлическое мыло, и воск, потому что это улучшает смазывающую способность покрытия. Воск имеет низкую температуру плавления и, следовательно, имеет то преимущество, что он понижает температуру плавления покрывающего материала и соответственно температуру, при которой осуществляется нанесение распылением. Воск может быть любым животным, растительным, минеральным или синтетическим воском. Особенно предпочтительным воском является карнаубский воск.
Массовое соотношение воска к металлическому мылу находится предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 3 частей воска на одну часть металлического мыла. Это массовое соотношение более предпочтительно составляет от 0,5 до 2 и наиболее предпочтительно приблизительно равно 1.
Предпочтительными являются такие антикоррозионные добавки, которые традиционно добавляются в качестве антикоррозионных добавок к смазочным маслам, потому что они имеют превосходную смазывающую способность. Представительные примеры этого типа антикоррозионных добавок включают в себя производное сульфоната кальция, продаваемое компанией Lubrizol Corporation под торговой маркой Alox(tm) 606, фосфосиликат цинка и стронция, продаваемый компанией Halox под торговой маркой Halox(tm) SZP-391, и ингибитор NA-SUL(tm) Ca/W1935, производимый компанией King Industries, Inc. Присутствие антикоррозионной добавки в твердом смазочном покрытии позволяет до некоторой степени предотвратить коррозию поверхностей контакта только за счет твердого смазочного покрытия, даже если на них не сформировано твердое антикоррозионное покрытие. Для этой цели твердое смазочное покрытие предпочтительно содержит по меньшей мере 5 мас.% антикоррозионной добавки.
Нерастворимая в воде жидкая смола (смола, которая является жидкой при комнатной температуре) увеличивает текучесть состава покрытия в расплавленном состоянии, уменьшая тем самым проблемы во время нанесения покрытия распылением. Если она присутствует в небольшом количестве, жидкая смола не придает липкости образуемому твердому смазочному покрытию. Предпочтительные жидкие смолы выбираются из поли(алкилметакрилата), полибутилена, полиизобутилена и полидиалкилсилоксана (жидких кремнийорганических смол, таких как полидиметилсилоксан). Жидкие полидиалкилсилоксаны также функционируют в качестве поверхностно-активного вещества.
В дополнение к вышеописанным компонентам матрица может содержать небольшие количества других добавок, выбираемых из поверхностно-активных веществ, пигментов, антиоксидантов и т.п. Матрица также может содержать агент сверхвысокого давления, жидкую смазку и т.п. в чрезвычайно малых количествах, не более 2 мас.%.
Пример предпочтительного состава (в мас.%) матрицы твердого смазочного покрытия:
термопластичный полимер - от 5 до 40;
воск - от 5 до 30;
металлическое мыло - от 5 до 30;
антикоррозионная добавка - от 0 до 50;
нерастворимая в воде жидкая смола - от 0 до 17;
каждое из поверхностно-активного вещества, пигмента и антиоксиданта - от 0 до 2; каждый из агента сверхвысокого давления и жидкой смазки - от 0 до 2. Для каждого компонента могут использоваться два или более материалов.
Пример более конкретного состава (в мас.%) матрицы предпочтительного твердого смазочного покрытия:
гомополимер полиэтилена - от 5 до 40; карнаубский воск - от 5 до 30;
стеарат цинка - от 5 до 30; антикоррозионная добавка - от 5 до 50; поли(алкилметакрилат) - от 0 до 15; поли(диметилсилоксан) - от 0 до 2; пигмент - от 0 до 2; антиоксидант - от 0-1.
Твердая смазка, которая диспергирована в матрице, означает порошок, имеющий смазывающую способность. Предпочтительно могут использоваться одна или более твердых смазок, выбранных из графита, окиси цинка, нитрида бора, дисульфида молибдена, дисульфида вольфрама, фторида графита, сульфида олова, сульфида висмута, политетрафторэтилена (PTFE) и полиамидов.
В дополнение к твердой смазке твердое смазочное покрытие может содержать неорганический порошок для регулирования скользящих свойств. Примерами такого неорганического порошка являются дисульфид вольфрама и окись висмута. Неорганический порошок может содержаться в твердом смазочном покрытии в количестве вплоть до 20 мас.%
Твердое смазочное покрытие предпочтительно формируется способом горячего расплава. Этот способ выполняется путем нагрева состава покрытия (содержащего вышеописанную матрицу и порошок твердой смазки) для того, чтобы расплавить матрицу, и распыления состава в расплавленном состоянии из краскораспылителя, имеющего возможность поддержания температуры. Температура нагрева состава предпочтительно является температурой, которая на 10-50°С выше температуры плавления матрицы.
Покрываемый субстрат (такой как поверхность контакта охватывающей части резьбового соединения) предпочтительно нагревается до температуры выше, чем температура плавления матрицы. При выполнении подогрева может быть получена хорошая покрываемость. Альтернативно, когда состав покрытия содержит небольшое количество (например, не более 2 мас.%) поверхностно-активного вещества, такого как полидиметилсилоксан, становится возможным сформировать хорошее покрытие, не подогревая субстрат или подогревая субстрат до температуры ниже, чем температура плавления матрицы.
Покрывающий состав плавится путем нагревания в резервуаре, оборудованном подходящим перемешивающим устройством, и расплавленный состав подается компрессором в распылительную головку (у которой поддерживается предопределенная температура) краскораспылителя через дозировочный насос и распыляется на субстрат. Температура, при которой поддерживается внутренняя часть резервуара и распылительная головка, регулируется в соответствии с температурой плавления матрицы состава.
Толщина твердого смазочного покрытия предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 150 мкм и более предпочтительно в диапазоне от 25 до 80 мкм. Если толщина твердого смазочного покрытия является слишком малой, смазывающая способность резьбового соединения для труб, конечно же, становится несоответствующей, и поверхностное повреждение резьбы легко происходит во время свинчивания или развинчивания. Кроме того, хотя твердое смазочное покрытие имеет определенную степень коррозионной стойкости, если толщина покрытия является слишком малой, коррозионная стойкость становится несоответствующей. Создание слишком большой толщины твердого смазочного покрытия не только впустую расходует смазку, но и противоречит требованиям предотвращения загрязнения окружающей среды. В дополнение к этому, иногда во время свинчивания имеет место проскальзывание, и свинчивание может стать затруднительным. В настоящем изобретении толщина твердого смазочного покрытия ограничивается так, чтобы она удовлетворяла нижеописанному уравнению (1).
Когда либо твердое смазочное покрытие, либо антикоррозионное покрытие формируются на поверхности контакта, имеющей в результате предварительной обработки поверхности увеличенную поверхностную шероховатость, толщина покрытия предпочтительно больше, чем шероховатость Rz субстрата. Если это не так, то покрытие иногда может не полностью покрывать субстрат. Когда субстрат является шероховатым, толщина покрытия представляет собой среднее значение толщины всего покрытия, которая может быть вычислена, исходя из площади, массы и плотности покрытия.
Резьбовое соединение для труб в соответствии с настоящим изобретением удовлетворяет соотношению между суммарным объемом V (мм3) канавок 9а и весом W (г) твердого смазочного покрытия 22, выражаемому следующим уравнением (1), предпочтительно выражаемому следующим уравнением (1') и более предпочтительно выражаемому следующим уравнением (1''):
V/W> 24 (мм3/г) (1);
V/W> 25 (мм3/г) (1');
V/W> 28 (мм3/г) (1'').
Суммарный объем V канавок представляет собой суммарный объем канавок 9а (частей канавок 9а-1 и 9а-2 в случае канавок, имеющих двухуровневую структуру), сформированных в поверхностях заплечи-ка охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения, и когда имеется две или более канавок, он составляет сумму объемов всех канавок. Когда имеется множество канавок, имеющих одну и ту же форму, суммарный объем канавок может быть определен в соответствии с уравнением: (площадь поперечного сечения одной канавки) х (длина одной канавки) х (количество канавок).
Вес W твердого смазочного покрытия представляет собой количество массы твердого смазочного покрытия, нанесенного на поверхности резьбового соединения, а именно на противолежащие поверхности охватываемой части резьбового соединения и охватывающей части резьбового соединения. Когда и охватываемая часть резьбового соединения, и охватывающая часть резьбового соединения имеют твердое смазочное покрытие, вес покрытия представляет собой сумму веса покрытия охватываемой части резьбового соединения и веса покрытия охватывающей части резьбового соединения. А именно, вес твердого смазочного покрытия является количеством на одно резьбовое соединение. Вес твердого смазочного покрытия на одно резьбовое соединение может быть определен путем подготовки макетного образца резьбового соединения с тем же самым размером, используя облегченный материал, такой как, например, бумага, нанесения того же самого покрывающего состава на макетный образец при тех же самых условиях, которые используются при формировании твердого смазочного покрытия на реальном резьбовом соединении, и вычисления разницы в весе макетного образца до и после нанесения состава.
В резьбовом соединении для труб в соответствии с настоящим изобретением твердое смазочное покрытие, сформированное на его поверхности контакта, течет под большой нагрузкой, прикладываемой во время свинчивания, благодаря его пластической или вязкопластической природе, и значительная часть твердого смазочного покрытия на герметизирующей поверхности и поверхности заплечика резьбового соединения вытесняется в окружающую среду. Часть вытесненного твердого смазочного покрытия входит в неконтактирующую область 13. Если давление текучей среды, входящей в неконтактирующую область 13, становится высоким, появляется возможность снижения газонепроницаемости резьбового соединения, достигнутой герметизирующими поверхностями. Для того чтобы устранить эту возможность, в поверхности заплечика резьбового соединения формируется канавка 9а, которая сообщается с некон-тактирующей областью 13 и функционирует в качестве канала утечки.
Однако, если вес твердого смазочного покрытия является слишком большим, твердое смазочное покрытие заполняет канавку 9а, сформированную в поверхности заплечика резьбового соединения. Поскольку значительное усилие, порождаемое свинчиванием, не прикладывается к внутренней части канавки 9а, твердое смазочное покрытие в канавке может течь очень плохо. Следовательно, канавка становится забитой твердым смазочным покрытием и больше не может функционировать в качестве канала утечки, что приводит к закупорке неконтактирующей области. В результате текучая среда высокого давления запирается в неконтактирующей области 13, что приводит к ухудшению газонепроницаемости резьбового соединения.
Фиг. 4 представляет собой график, показывающий соотношение между суммарным объемом канавок 9а и весом твердого смазочного покрытия на резьбовом соединении, полученном в испытании уплотнения, которое объясняется в примере. На этом чертеже NG указывает на то, что произошло закупоривание неконтактирующей области, а ОК указывает на то, что никакого закупоривания нет.
Как показано на графике, изображенном на фиг. 4, по мере того как суммарный объем канавки увеличивается, максимальный вес твердого смазочного покрытия, при котором еще не происходит закупорки неконтактирующей области, увеличивается. Из этого графика можно видеть, что закупоривание не-контактирующей области 13 вследствие забивки канавок 9а может быть предотвращено, если суммарный объем канавок 9а и вес твердого смазочного покрытия удовлетворяют вышеприведенной формуле (1). Даже если твердое смазочное покрытие не формируется на поверхности неконтактирующих областей 13, 14, благодаря пропорции площади этих областей, которая очень ограничена по сравнению с общей площадью поверхности резьбового соединения, удовлетворения вышеупомянутой формулы (1) достаточно для того, чтобы предотвратить закупоривание текучей среды высокого давления в неконтактирующей области 13.
Объем канавки зависит от ширины ее отверстия в верхнем конце (ширины канавки), ее глубины и формы ее поперечного сечения. В случае V-образной канавки ширина и глубина канавки зависят от угла кончика режущего инструмента, используемого для нарезки канавки. Следовательно, когда вес покрытия, необходимый для придания резьбовому соединению желаемой устойчивости к поверхностному повреждению резьбы и антикоррозионных свойств, известен, форма канавки (угол нарезания канавки, ширина, глубина и длина канавки) и количество канавок могут быть определены так, чтобы они удовлетворяли вышеприведенному уравнению (1).
По мере того как суммарный объем канавок 9а увеличивается, площадь контактирования поверхностей заплечика резьбового соединения (площадь тех поверхностей заплечика резьбового соединения, которые входят в контакт друг с другом), обязательно уменьшается, потому что канавки не входят в контакт с противолежащей поверхностью. Поскольку поверхности заплечика резьбового соединения (главные поверхности заплечика резьбового соединения в случае вышеописанной двухуровневой структуры) обеспечивают характеристики вращающего момента (выполняют роль поддержки вращающего момента и сжимающего усилия), чрезмерное уменьшение площади контактирования поверхностей заплечика резьбового соединения приводит к ухудшению характеристик вращающего момента.
Фиг. 5 представляет собой график, показывающий соотношение между шириной канавок (мм) и долей площади контактирования главной поверхности заплечика резьбового соединения в резьбовом соединении для труб, раскрытом в патентном документе 1, имеющем двухуровневую поверхность заплечи
ка резьбового соединения со сформированными на ней тремя канавками 9а и имеющем наружный диаметр 10-3/4" (27,3 см) и номинальный вес 60,7 фунтов/фут (90,4 кг/м), что является индикатором толщины стенки.
Было найдено, что для того, чтобы гарантировать характеристики вращающего момента, необходимые для главных поверхностей заплечика резьбового соединения, желательно, чтобы доля площади контактирования составляла по меньшей мере 60%, другими словами, чтобы доля площади, занимаемой отверстиями в верхних концах канавок 91 в главной поверхности заплечика резьбового соединения, в которой сформированы канавки, была меньше чем 40%. Как можно видеть из фиг. 5, в случае резьбового соединения для труб, имеющего вышеупомянутую форму, если ширина канавок 9а-1 составляет 3,6 мм или меньше, доля площади контактирования главных поверхностей заплечика резьбового соединения составляет по меньшей мере 60%. Для резьбового соединения для труб, имеющего другую форму, верхний предел для ширины канавки может быть определен аналогичным образом. В случае резьбового соединения, которое не имеет двухуровневой структуры, доля площади, занимаемой отверстиями канавки или канавками во всей поверхности заплечика резьбового соединения, предпочтительно составляет менее 40%.
Следующий пример предназначен для иллюстрации настоящего изобретения без его ограничения. Пример.
Испытание на уплотнение (испытание, в котором внутреннее давление и внешнее давление прикладываются к резьбовому соединению, в то время как к нему прикладываются растягивающее усилие и сжимающее усилие) выполнялось с использованием резьбовых соединений для труб, имеющих размеры, показанные в таблице. Резьбовые соединения имели форму, показанную на фиг. 1А-1С и фиг. 2А и 2В, с канавками 9а, сформированными на поверхностях заплечика резьбового соединения, имеющих ширину и глубину, показанные в таблице.
Охватываемая часть 1 резьбового соединения и охватывающая часть 2 каждого из испытываемых резьбовых соединений для труб имели поверхности контакта, состоящие из резьбовых частей 3, 7, герметизирующих поверхностей 5, 8 и поверхностей заплечика резьбового соединения, а также сформированную неконтактирующую область 13 между герметизирующими поверхностями и поверхностями запле-чика резьбового соединения. Осевая длина герметизирующих поверхностей составляла от 3 до 5 мм, а осевая длина неконтактирующей области составляла от 5 до 15 мм. Как показано на фиг. 1С, поверхности заплечика резьбового соединения имели главные поверхности 9, 11 заплечика резьбового соединения и поверхности подплечика 10, 12. Радиальная толщина (в направлении, перпендикулярном к оси трубы) главных поверхностей заплечика была в 2-6 раз больше, чем радиальная толщина подплечика. Угол наклона 82 поверхностей подплечика составлял от 65 до 75°, а угол наклона 81 главной поверхности запле-чика резьбового соединения составлял от 10 до 20° относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы. Как показано на фиг. 2А и 2В, каждая из главной поверхности 9 заплечика резьбового соединения и поверхности 11 подплечика охватываемой части 1 резьбового соединения имела канавку 9а или, более конкретно, части канавки 9а-2 и 9а-1, соответственно, расположенные в трех местах. Каждая часть канавки простиралась на 50-75° в круговом направлении. Как показано на фиг. 2D, части канавки 9а-1 и 9а-2 каждой пары были соединены соединительным каналом 9с, сформированным в части поверхности за-плечика охватывающей части 2 резьбового соединения, противоположной гребню 9b поверхности запле-чика охватываемой части 1 резьбового соединения.
На поверхности охватываемой части 1 резьбового соединения, окончательная обработка которой была выполнена на шлифовальном станке (поверхностная шероховатость 3 мкм), было сформировано покрытие из фосфата цинка толщиной 8 мкм, имеющее поверхностную шероховатость 8 мкм, а поверх него путем распыления был нанесен коммерчески доступный покрывающий состав отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы (ThreeBond 3113B производства компании ThreeBond Co., Ltd., которая представляет собой не содержащий растворителя покрывающий состав отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы на основе эпоксидной смолы) и отвержден облучением ультрафиолетовым светом для того, чтобы сформировать покрытие из отвержденной ультрафиолетовыми лучами смолы, имеющее толщину 25 мкм. Это покрытие было прозрачным, и наружная резьба охватываемой части резьбового соединения могла быть свободно осмотрена невооруженным глазом или через лупу.
На поверхности охватывающей части 2 резьбового соединения, окончательная обработка которой была выполнена на шлифовальном станке (поверхностная шероховатость 3 мкм), было сформировано покрытие из фосфата марганца толщиной 12 мкм, имеющее поверхностную шероховатость 10 мкм. Смазочный покрывающий состав, имеющий состав, показанный ниже, нагревался при температуре 150°С в резервуаре, оборудованном мешалкой, с тем, чтобы сформировать расплав, имеющий вязкость, подходящую для нанесения. Поверхность охватывающей части резьбового соединения, обработанная вышеописанным образом, была подогрета до температуры 130°С с помощью индукционного нагрева, и на нее был нанесен расплавленный смазочный покрывающий состав с использованием краскораспылителя, имеющего распылительную головку с возможностью поддержания температуры. Количество наносимого покрывающего состава было установлено равным количеству, достаточному для того, чтобы сформировать покрытие, имеющее толщину 50 мкм, с учетом площади поверхности охватывающей части резьбо
вого соединения. Во время нанесения соединение, которое составляло охватывающую часть резьбового соединения, вращалось с постоянной угловой скоростью. После охлаждения было сформировано твердое смазочное покрытие, обладающее вязкопластическими реологическими свойствами. Вес твердого смазочного покрытия был определен как разность веса до и после нанесения, когда тот же самый покрывающий состав был нанесен на макет охватывающей части резьбового соединения, сделанный из бумаги, при тех же самых условиях. Вес твердого смазочного покрытия показан в таблице наряду с расчетным значением суммарного объема канавок 9а, деленным на вес покрытия. Состав смазочного покрытия:
9% гомополимера полиэтилена (Licowax(tm) РЕ 520 производства компании Clariant); 15% карнаубского воска; 15% стеарата цинка;
5% жидкого полиалкилметакрилата (Viscoplex(tm) 6-950 производства компании Rohmax); 40% антикоррозионной добавки (ALOX(tm) 606 производства компании Lubrizol); 3,5% фторида графита; 1% окиси цинка; 5% двуокиси титана; 5% трехокиси висмута;
1% кремнийорганического материала (полидиметилсилоксана);
антиоксидант (производства компании Ciba-Geigy), состоящий из 0,3% Irganox(tm) L150 и 0,2% Iraga-fos(tm) 168.
В испытании на уплотнение было измерено изменение давления в неконтактирующей области 13. Как показано на фиг. 6, это измерение было выполнено путем формирования отверстия 2а, которое проходило только через охватывающую часть 2 резьбового соединения до неконтактирующей области 13, и измерения давления в этой области.
Испытание на уплотнение выполнялось при условиях, соответствующих стандарту ISO 13679:2002, группа А и группа В (при температуре окружающей среды и при высокой температуре). Стандарт ISO 13679:2002 является международным стандартом для испытаний на соединениях для труб, применяемых в нефтяной промышленности, и включает в себя следующие три типа испытаний на уплотнение, которые проверяют газонепроницаемость соединения при различных нагрузках и температурах, и испытание на соединение и разъединение, которое проверяет, сколько раз соединение может быть подвергнуто свинчиванию и развинчиванию.
Группа А: Внутреннее давление и внешнее давление прикладываются в состоянии, в котором растягивающее/сжимающее усилие прикладывается к соединению в свинченном состоянии.
Группа В: внутреннее давление прикладывается в состоянии, в котором растягивающее/сжимающее/изгибающее усилие прикладывается к соединению в свинченном состоянии.
Группа С: тепловой цикл применяется к соединению в свинченном состоянии при растяжении и внутреннем давлении.
В этом примере в результате выполнения испытаний группы А, после которых выполнялись испытания группы В на том же самом резьбовом соединении, наличие или отсутствие запирания текучей среды высокого давления в неконтактирующей области определялось на основе изменения давления внутри области, как описано ниже.
Все резьбовые соединения для испытываемых труб были сделаны из углеродистой стали Р110. Углеродистая сталь Р110 соответствует Техническим условиям Американского нефтяного института на нефтепродукты и нефтяное оборудование 5СТ (ISO 11960:2004), который является международным стандартом для труб, применяемых в нефтяной промышленности. Техническими характеристиками, относящимися к резьбовому соединению, являются предельное напряжение сдвига, равное 110-140 фунтов на квадратный дюйм, и предел прочности при растяжении, равный по меньшей мере 125 фунтам на квадратный дюйм.
Канавки 9а были сформированы в V-образной форме с глубиной 0,4, 0,6 или 0,8 мм, с использованием режущего инструмента, имеющего угол вершины 35 или 55°. Ширина отверстия каждой из этих канавок показана в таблице. Доля площади главной поверхности заплечика охватываемой части резьбового соединения, занятой канавками 9а (на их отверстиях), была вычислена, исходя из ширины и длины каждой канавки, а также количества канавок. Как показано в таблице, для любого из проверяемых резьбовых соединений доля площади, занятая отверстиями канавок, составляла менее 40%, таким образом, доля площади поверхности контакта составляла по меньшей мере 60%.
Для того чтобы оценить, была ли текучая среда высокого давления заперта в неконтактирующей области 13, измерялось давление в этой области и давление в резьбовом соединении для труб. Когда разность между этими двумя давлениями становилась такой, что давление внутри неконтактирующей области не уменьшалось даже тогда, когда давление в резьбовом соединении уменьшалось, фиксировался факт того, что текучая среда высокого давления заперта в неконтактирующей области. Результаты испытаний показаны в таблице.
Как показано в таблице, даже когда наружный диаметр и номинальный вес (толщина стенки) резьбового соединения для труб изменялись (что приводило к изменению площади поверхности заплечика резьбового соединения), было возможно препятствовать запиранию текучей среды высокого давления в неконтактирующей области 13, если суммарный объем канавок 9а и вес твердого смазочного покрытия удовлетворяли вышеприведенному уравнению (1).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Резьбовое соединение для труб, включающее в себя охватываемую часть и охватывающую часть, каждая из которых имеет поверхность контакта, включающую в себя резьбовую часть и нерезьбовую металлическую контактную часть, причем нерезьбовая металлическая контактная часть включает в себя герметизирующую поверхность и поверхность заплечика, причем поверхность заплечика охватываемой части расположена на концевой поверхности охватываемой части, причем неконтактирующая область, в которой охватываемая часть и охватывающая часть не контактируют друг с другом, находится между герметизирующими поверхностями и поверхностями заплечика охватываемой части и охватывающей части, причем резьбовое соединение имеет одну или более канавок, сформированных в поверхности за-плечика по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части и проходящих к некон-тактирующей области и внутренней части резьбового соединения, отличающееся тем, что
по меньшей мере, поверхность контакта по меньшей мере одной из охватываемой части и охватывающей части имеет сформированное на ней твердое смазочное покрытие, обладающее пластическими или вязкопластическими реологическими свойствами;
суммарный объем V (мм3) канавок и вес W (г) твердого смазочного покрытия удовлетворяют следующему уравнению: V/W> 24 (мм3/г).
2. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором каждая из поверхностей заплечика охватываемой части и охватывающей части образована главной поверхностью заплечика и поверхностью подпле-чика, соединенной с главной поверхностью заплечика, причем поверхность заплечика имеет обратный угол наклона и проходит к внутренней части резьбового соединения, а поверхность подплечика расположена между главной поверхностью заплечика резьбового соединения и неконтактирующей областью и имеет угол наклона относительно плоскости, перпендикулярной к оси трубы, который больше аналогичного угла главной поверхности заплечика резьбового соединения.
3. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором площадь верхнего конца канавок в поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности заплечика.
4. Резьбовое соединение для труб по п.2, в котором область верхнего конца канавок в главной поверхности заплечика не превышает 40% площади поверхности главной поверхности заплечика.
5. Резьбовое соединение для труб по любому из пп.1-4, в котором твердое смазочное покрытие формируется на поверхности контакта охватывающей части.
6. Резьбовое соединение для труб по п.5, в котором поверхность охватываемой части имеет твердое антикоррозионное покрытие, сформированное из отверждаемой ультрафиолетовыми лучами смолы.
2.
2.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025932
- 1 -
025932
- 1 -
025932
- 4 -
025932
- 17 -
025932
- 18 -
- 19 -
|
