1. Способ кузнечной сварки концов труб, при котором концы труб нагревают до заданной температуры свыше 1200шС и окружают неокислительным и/или восстановительным защитным газом, когда концы труб прижимают друг к другу, причем осуществляют охлаждение сваренных кузнечной сваркой концов труб от указанной температуры свыше 1200 до 600шС или ниже в течение 3 мин после операции кузнечной сварки, при этом внутренняя и/или наружная часть концов труб содержится в герметичной камере, в которую во время фазы нагрева и операции кузнечной сварки вдувают защитный газ, а во время фазы охлаждения подают закалочную среду.

2. Способ по п.1, в котором сваренные кузнечной сваркой трубы состоят из высокоуглеродистой стали и охлаждаются от температуры аустенизации стали или выше до приблизительно 300шС в течение одной минуты.

3. Способ по п.1 или 2, в котором закалочной средой является холодный жидкий азот или жидкая двуокись углерода.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором заданная температура свыше 1200шС ниже температуры солидуса концов труб.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором температура концов труб отслеживается по меньшей мере во время фазы охлаждения путем слежения за цветом и/или интенсивностью света, испускаемого концами труб, при этом концы труб нагревают одновременно посредством электрического и/или электромагнитного нагрева во время по меньшей мере части фазы охлаждения для достижения заданной скорости охлаждения.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором трубы являются трубами нефтяного сортамента.

7. Способ по любому из пп.1-6, в котором трубы и сваренные кузнечной сваркой концы труб выполнены с возможностью расширения в радиальном направлении посредством расширительного инструмента, такого как коническая оправка, до большего внутреннего и наружного диаметра.

8. Способ по любому из пп.1-7, в котором сварной шов проверяют с помощью устройства, включенного во внутреннюю штангу в качестве составной части этой штанги, или в качестве вспомогательного приспособления, содержащегося в отдельном корпусе.

9. Способ по любому из пп.1-8, в котором нажимные усилия, необходимые для выполнения кузнечной сварки, создаются нажимными элементами, установленными на внутренней штанге.

10. Способ по любому из пп.1-9, в котором нагрев для кузнечной сварки и/или термообработки после сварки осуществляется с использованием нагревательного устройства, входящего в состав внутренней штанги.

11. Способ по любому из пп.1-10, в котором трубы являются частью обсадной колонны, причем буровой снаряд и сваренные кузнечной сваркой трубы образуют колонну труб, несущую расширяемое буровое долото, причем предусмотрено постепенное удлинение колонны труб путем присоединения посредством кузнечной сварки труб к верху колонны труб, при этом колонна труб остается в пробуренной скважине в качестве обсадной колонны после завершения операций бурения.

12. Способ по любому из пп.1-11, в котором защитный газ содержит водород.

13. Колонна труб, содержащая множество труб, концы которых соединяются способом кузнечной сварки согласно любому из пп.1-12, при этом на концах труб имеется полностью мартенситная структура.

14. Колонна труб по п.13, в которой трубы являются трубами для нефтяной промышленности, такими как трубы нефтяного сортамента.

 

(57) Реферат / Формула:
Способ кузнечной сварки концов труб, при котором концы труб нагревают до заданной температуры свыше 1200шС и окружают неокислительным и/или восстановительным защитным газом, когда концы труб прижимают друг к другу, причем осуществляют охлаждение сваренных кузнечной сваркой концов труб от указанной температуры свыше 1200 до 600шС или ниже в течение 3 мин после операции кузнечной сварки, при этом внутренняя и/или наружная часть концов труб содержится в герметичной камере, в которую во время фазы нагрева и операции кузнечной сварки вдувают защитный газ, а во время фазы охлаждения подают закалочную среду.

2. Способ по п.1, в котором сваренные кузнечной сваркой трубы состоят из высокоуглеродистой стали и охлаждаются от температуры аустенизации стали или выше до приблизительно 300шС в течение одной минуты.

3. Способ по п.1 или 2, в котором закалочной средой является холодный жидкий азот или жидкая двуокись углерода.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором заданная температура свыше 1200шС ниже температуры солидуса концов труб.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором температура концов труб отслеживается по меньшей мере во время фазы охлаждения путем слежения за цветом и/или интенсивностью света, испускаемого концами труб, при этом концы труб нагревают одновременно посредством электрического и/или электромагнитного нагрева во время по меньшей мере части фазы охлаждения для достижения заданной скорости охлаждения.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором трубы являются трубами нефтяного сортамента.

7. Способ по любому из пп.1-6, в котором трубы и сваренные кузнечной сваркой концы труб выполнены с возможностью расширения в радиальном направлении посредством расширительного инструмента, такого как коническая оправка, до большего внутреннего и наружного диаметра.

8. Способ по любому из пп.1-7, в котором сварной шов проверяют с помощью устройства, включенного во внутреннюю штангу в качестве составной части этой штанги, или в качестве вспомогательного приспособления, содержащегося в отдельном корпусе.

9. Способ по любому из пп.1-8, в котором нажимные усилия, необходимые для выполнения кузнечной сварки, создаются нажимными элементами, установленными на внутренней штанге.

10. Способ по любому из пп.1-9, в котором нагрев для кузнечной сварки и/или термообработки после сварки осуществляется с использованием нагревательного устройства, входящего в состав внутренней штанги.

11. Способ по любому из пп.1-10, в котором трубы являются частью обсадной колонны, причем буровой снаряд и сваренные кузнечной сваркой трубы образуют колонну труб, несущую расширяемое буровое долото, причем предусмотрено постепенное удлинение колонны труб путем присоединения посредством кузнечной сварки труб к верху колонны труб, при этом колонна труб остается в пробуренной скважине в качестве обсадной колонны после завершения операций бурения.

12. Способ по любому из пп.1-11, в котором защитный газ содержит водород.

13. Колонна труб, содержащая множество труб, концы которых соединяются способом кузнечной сварки согласно любому из пп.1-12, при этом на концах труб имеется полностью мартенситная структура.

14. Колонна труб по п.13, в которой трубы являются трубами для нефтяной промышленности, такими как трубы нефтяного сортамента.

 

---

008322
Уровень техники
Изобретение относится к способу кузнечной сварки труб.
Кузнечная сварка предусматривает нагрев по окружности концов труб, которые должны соединяться, и последующее сжатие концов труб между собой для образования металлургической связи.
Возможно использование разнообразных технологий нагрева, позволяющих разогреть концы труб настолько, чтобы получить металлургическую связь. Может осуществляться электрический, электромагнитный, индукционный, инфракрасный, искровой и/или фрикционный нагрев или комбинации этих и других способов нагрева.
Использованный в данном описании термин "кузнечная сварка" относится ко всем технологическим процессам, которые предусматривают нагрев по окружности концов труб и последующее создание металлургической связи между нагретыми концами труб, включая способы сварки, известные как сварка трением или диффузионная сварка, стыковая сварка оплавлением и/или сопротивлением.
Из патентов США 4566625; 4736084; 4669650 и 5721413, выданных на имя Пер. Г. Мое, известно, что может быть полезно обдувать концы труб непосредственно перед операцией кузнечной сварки и во время ее восстановительным газом, таким как водород или окись углерода, при этом с нагретых концов труб удаляется оксидная пленка и получается металлургическая связь с минимальным количеством не-однородностей. Из патентов США 2719207 и 4728760 известно также использование не взрывоопасных смесей, состоящих приблизительно из 95 об.% по существу инертного газа, такого как аргон, азот и/или гелий, и приблизительно из 5 об.% восстановительного газа, такого как водород и/или окись углерода, для стыковой сварки оплавлением или индукционной стыковой сварки.
Опыты показали, что способ кузнечной сварки позволяет получить высококачественную металлургическую связь между соединенными концами труб, в особенности в случае обдува концов труб в процессе сварки восстановительной смесью газов.
Целью настоящего изобретения является дальнейшее улучшение способа кузнечной сварки труб, в результате чего достигается улучшение качества.
Сущность изобретения
Согласно изобретению концы труб нагревают до заданной температуры свыше 1200°С и окружают содержащим водород защитным газом в то время как концы труб прижимают друг к другу, после чего сваренные кузнечной сваркой концы труб быстро охлаждают от указанной температуры свыше 1200 до не более чем 600°С в течение 3 мин после операции кузнечной сварки.
Сваренные кузнечной сваркой трубы могут состоять из высокоуглеродистой стали и охлаждаться от указанной температуры свыше 1200 до не более чем 600°С в течение 1 мин после операции кузнечной сварки.
В предпочтительном варианте реализации сваренные кузнечной сваркой трубы охлаждают путем промывки концов труб холодным жидким азотом, гелием, аргоном или жидкой двуокисью углерода.
Способ кузнечной сварки может использоваться для соединения разнообразных марок стали и сплавов, включая нержавеющие стали и трубные стали. Способ согласно настоящему изобретению особенно подходит для соединения труб нефтяного сортамента (OCTG), для которых часто требуется выполнение на удаленных площадках контролируемого охлаждения и/или термообработки после сварки. Трубы нефтяного сортамента обычно изготавливают из группы марок стали, которые подходят для использования в качестве обсадных труб и эксплуатационных насосно-компрессорных колонн в нефтяной промышленности и обозначаются Международным стандартом ISO 11960 и Американским стандартом API 5CT. За исключением двух марок, которые содержат значительное количество хрома, эти материалы относятся к углеродистым сталям.
Традиционно материалы труб нефтяного сортамента соединяют с помощью резьбовых соединений, и это устраняет любую необходимость в их сваривании. В результате высокопрочные материалы OCTG имеют относительно высокое содержание углерода и марганца и считаются "не поддающимися сварке" с использованием традиционной технологии сварки плавлением. Однако эти материалы можно сваривать с использованием технологии кузнечной сварки, такой как сварка в активном газе, сварка трением и стыковая сварка оплавлением, поскольку эти процессы выполняются в твердой фазе, когда соединение происходит при относительно низкой температуре.
К сожалению, металлургические особенности марок высокоуглеродистой стали часто требуют выполнения специальных операций, позволяющих развить после кузнечной сварки наилучшую комбинацию характеристик, в особенности ударных характеристик. В общем контролируемое быстрое охлаждение сваренных концов труб сведет к минимуму зону термического влияния и гарантирует получение после кузнечной сварки приемлемых характеристик.
В дополнение устанавливается конкретное требование к указанной технологии сварки, чтобы она происходила в сухом защитном газе или газовых смесях (напр. кузнечная сварка в защитном активном газе) с целью гарантировать, что в зоне сварки отсутствуют вода и тяжелые углеводороды. Это ограничивает использование в данном случае обычных охлаждающих закалочных жидкостей на основе воды или масла и требует альтернативной закалочной среды.
При охлаждении углеродистой стали из полностью аустенитного состояния (т. е. от температуры
- 1 -
008322
сварки) на воздухе, стали имеют тенденцию к приобретению структуры, состоящей из мартенсита с небольшим количеством относительно хрупкого бейнита. Это может привести к получению приемлемых показателей изгиба и прочностных характеристик, но к низкой ударной вязкости. Для избежания образования относительно хрупких фаз необходимо быстро охладить сталь из полностью аустенитной структуры (обычно при 900-700°С, в зависимости от используемой стали) до приблизительно 300°С в течение короткого времени, обычно 1 мин.
При производстве труб нефтяного сортамента с высоким содержанием углерода стандартной практикой является улучшение механических характеристик путем нагрева до полностью аустенитной области и закалки в ванне с принудительной циркуляцией воды для получения полностью мартенситной структуры. Эта обработка сопровождается нагревом при температуре приблизительно 600°С в течение заданного времени, часто нескольких часов, с целью получения отпущенной мартенситной структуры с подходящими, приемлемыми механическими свойствами. Этот процесс называют закалкой с последующим отпуском (Q &T).
Настоящее изобретение позволяет решить проблему требований к термообработке и оборудованию для получения ковкой швов в высокопрочной высокоуглеродистой стали для труб нефтяного сортамента с приемлемыми ударными характеристиками. Можно использовать несколько вариантов внутренней штанги, которую вставляют внутрь трубы в зоне сварки с целью контроля процесса охлаждения сваренных кузнечной сваркой концов труб в зависимости от марок стали труб и конкретных условий сварки.
В дополнение к внутренней штанге возможно применение других приемов, таких как выравнивание труб, изоляция внутренней области труб в зоне сварки и контроль качества кузнечной сварки посредством электромагнитного акустического переноса (ЕМАТ) или иной автоматизированной техники проверки сварного шва.
Водная и на основе воды, масляная и на основе масла закалочная среда может использоваться в технологии кузнечной сварки, такой как стыковая сварка оплавлением и различные способы сварки трением, которая не требует сухой среды при сварке. В специфических областях применения, например на буровых платформах, в качестве закалочной среды могут также использоваться обычные нефтепромысловые среды, такие как буровой раствор и соленые буровые воды.
В процессах, для которых требуется сухая окружающая среда, эти средства тоже могут использоваться при условии осуществления закалки изнутри. Однако при толщине стенок, превышающей приблизительно 5 мм, когда требуется также наружная закалка, они не являются идеальными, поскольку могут замедлить процесс сварки, за время, пока месту сварки дают возможность просохнуть или же требуется второй участок с целью избежать загрязнения участка сварки, или же требуется отдельно размещенная закалочная установка для избежания загрязнения сварочной площадки, что обуславливает возникновение сложностей при строительстве. Для того чтобы избежать этих недостатков, может быть использована альтернативная безопасная закалочная среда. Она включает в себя гелий, азот, аргон и другие негорючие, летучие смеси, быстро испаряющиеся после использования или же их различные комбинации.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты реализации способа согласно настоящему изобретению будут описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых
на фиг. 1 показан схематический вид в поперечном разрезе наружной камеры с защитным газом, в которую во время фазы охлаждения после операции кузнечной сварки подают охлаждающую среду;
на фиг. 2 показан вид в продольном разрезе внутренней штанги, через которую подают охлаждающую среду в направлении сваренных кузнечной сваркой концов труб после операции кузнечной сварки.
Подробное описание изобретения
В этом самом простом варианте закалка сварных швов на месте может осуществляться снаружи с использованием переносного кольца 7А, 7В, как показано на фиг. 1, с использованием закалочной среды, такой как жидкий азот, аргон, двуокись углерода или водная жидкость. Кольцо 7А, 7В, показанное на фиг. 1 изготавливают с шарнирным соединением 3 и с внутренним диаметром, совпадающим с наружным диаметром (OD) соответствующей трубы. Кольцо 7А, 7В является таким образом разъемным кольцом, которое, будучи закрыто, будет полностью охватывать зону сварки трубы и крепиться вокруг нее с помощью защелки 1. В процессе работы зона сварки полностью охватывается упомянутым разъемным кольцом, которое закрепляется защелкой 1, причем подача закалочной среды может осуществляться через питающий шланг 4 внутрь разъемного кольца 7А, 7В путем открывания клапана 2. Закалочная среда циркулирует в кольце 7 А, 7В до тех пор, пока не достигнет отражателя 5, после чего удаляется через сливное отверстие 6.
Разъемное кольцо 7А, 7В накладывают и начинают закалку как можно быстрее после операции сварки и, в любом случае, до того как зона сварки охладиться до температуры ниже температуры аусте-низации соединяемой стали (обычно от 900 до 700°C в зависимости от содержания углерода).
Разъемное кольцо 7А, 7В может быть объединено с камерой или колпаком для защитного газа, куда во время операции кузнечной сварки могут вдувать восстановительный защитный газ, содержащий около 95 об.% азота и около 5 об.% водорода, или же который объединен с небольшими модификациями с
- 2 -
008322
нагревательным механизмом.
В случае толстостенных труб, у которых скорость охлаждения может значительно варьироваться по толщине стенки, может потребоваться использование совместно с наружной закалкой и внутренней закалки с использованием внутренней штанги 30, как показано на фиг. 2. Это в принципе зависит от металлургических особенностей данной стали, в особенности от содержания углерода, и от применяемой закалочной среды. В случае стандартных материалов труб нефтяного сортамента сквозное охлаждение стенки приблизительно до 300°С предпочтительно осуществляется примерно за 1 мин.
В некоторых случаях, например, при использовании тонкостенных труб и низкоуглеродистой стали, возможна закалка стали от полностью аустенитной структуры до полностью мартенситной с использованием внутренней штанги 30, показанной на фиг. 2 в качестве альтернативы наружной закалке, показанной на фиг. 1. Кроме того, в случае толстостенных труб и сталей с более высоким содержанием углерода необходимо использовать сочетание внутренней и наружной закалки для гарантированного равномерного, быстрого охлаждения по толщине стенки трубы.
Штангу 30 вводят внутрь верхней трубы 15 и нижней трубы 25 в области сваренных кузнечной сваркой концов труб 19.
Штанга 30 может содержать ряд элементов, которые могут быть использованы совместно или по отдельности. Главными элементами штанги 30, показанной на фиг. 2, являются несущий трос 27, предназначенный для ввода в действие и возвращения, а также линии передачи информации и питания, шланги 8, 9 подачи и отвода защитной и/или охлаждающей среды и шланги 10, 11 подачи и отвода гидравлической жидкости, расширяемые зажимные элементы 12, 26, нажимные элементы 13, 24, предназначенные для стягивания верхней и нижней секций штанги 30 между собой и создания осевого ковочного усилия, узлы контрольных датчиков 14, 22 ЕМАТ, заполняемые газом герметизирующие элементы 16, 21, обеспечивающие изоляцию зоны сварки 19 для продувки неокисляющим и/или восстановительным защитным газом, выпускные сопла 17 для продувочного газа и/или охлаждающей среды изнутри трубы и оборотные сопла 18 для защитного газа и/или охлаждающей среды. Внутренняя штанга 30 содержит ферри-товые стержни 20 предназначенные для обеспечения дополнительного контроля высокочастотного тока и индукционного нагрева, и индукционную катушку 23 для предоставления тепла для ковки и/или термообработки сварного шва после операции сварки.
Следует отметить, что не все эти элементы должны присутствовать в каждой штанге 30, однако, возможна любая комбинация описанных выше элементов. Кроме того, возможно применение также альтернативных нагревательных элементов, включающих в себя пары контактов, расположенные выше и ниже зоны сварки 19 и предназначенные для нагрева с использованием, например, электрического сопротивления.
При некоторых формах кузнечной сварки внутренняя штанга потребует дополнительной детализации для облегчения подачи продувочного газа, выравнивания, герметизации, а также обеспечения влияния на нагрев в дополнение к потребности подавать закалочную среду. Более подробно данные варианты описаны ниже.
Внутренняя штанга 30 может применяться горизонтально, в случае трубопроводов, или же вертикально, в обсадных трубах и буровых трубах. Она может быть помещена в верхнюю трубу 15 перед тем, как верхняя труба 15 перемещается на верхний конец нижней трубы 25 в положение для сварки, или же вставлена внутрь совмещенных труб 15, 25 непосредственно перед сваркой.
Штангу 30 подвешивают на несущем тросе 27, предназначенном для ввода в действие и возвращения, который проходит через верхнюю трубу 15, предназначенную для сваривания. Один конец шлангов 8, 9 для подачи и отвода сред оканчивается снаружи верхней трубы 15 на участке, который обеспечивает подачу через насос защитной газовой и/или охлаждающей среды; другой конец крепится внутри цилиндрического корпуса штанги 30, который, при некоторых формах кузнечной сварки, таких как сварка с защитой активным газом и стыковая сварка с оплавлением, должен быть не металлическим. Размеры штанги 30 позволяют ей перемещаться через соединяемые трубы 15, 25. Штанга 30 имеет расположенные через одинаковые промежутки охлаждающие сопла 18, выполненные по окружности ее трубчатой центральной части, в которой расположены ферритные стержни 20. Количество и размеры сопел 18 зависят от размеров корпуса, который определяется внутренним диаметром ID предназначенных для соединения труб 15, 25, охлаждающей среды и мощности насоса.
Зажимные элементы 12, 26 с обеих сторон штанги 30 гарантируют, что она остается приблизительно на одинаковом расстоянии от стенок трубы.
Сразу же после выполнения кузнечной сварки через шланг подачи 8 прокачивают закалочную среду, и выпускают ее через сопла 18 для быстрого охлаждения зоны сварки 19. В случае необходимости это делают одновременно с наружной закалкой посредством разъемного кольца 7А, 7В, показанного на фиг. 1.
Штанга 30 может выполнять несколько функций при использовании при кузнечной сварке, например подачу продувочного газа с целью улучшения качества сварки и обеспечение дополнительной герметизации при низком давлении для изоляции зоны сварки, а также последующую подачу закалочной среды с целью улучшения механических характеристик.
- 3 -
008322
Продувочный газ может быть неокисляющим или невзрывоопасным восстановительным газом, содержащим около 95 об.% азота и около 5 об.% водорода. Неокисляющие газы могут потребоваться при использовании стыковой сварки оплавлением, кузнечной сварки с индукционным нагревом, сварки трением или комбинации этих способов, такой, например, как термокинетическая сварка. Восстановительный газ или газовая смесь может потребоваться, например, при использовании кузнечной сварки с защитой активным газом или кузнечной сварки с индукционным нагревом.
Ферритные стержни 20 служат для улучшения эффекта нагрева способом индукционного нагрева или нагрева электросопротивлением/индукционного нагрева.
Разъемное наружное охлаждающее кольцо 7А, 7В, показанное на фиг. 1, и внутренняя штанга 30, показанная на фиг. 2, подходят для различных сварочных процессов, таких как сварка трением, стыковая сварка оплавлением, сварка в среде активного газа и других, при которых требуется термообработка после сварки. Нагрев для отпуска может осуществляться изнутри трубы, снаружи трубы или совместно. Комбинированный нагрев может быть особенно эффективным в случае толстостенных труб (толщина стенки трубы приблизительно более 5 мм).
В любом случае, когда отпуск осуществляется в зоне повышенного риска, необходимо обеспечить соответствие требованиям безопасности. Это может быть выполнено с использованием хорошо известных технических приемов, таких как применение защитного слоя из негорючего газа и герметичной, устойчивой к взрывам камеры для защитного газа с двойными стенками.
Внутренняя штанга 30, показанная на фиг. 2, может содержать встроенную катушку 23 индукционного нагрева, которая центрируется над зоной сварки и получает питание по составному кабелю. Когда штанга 30 включает в себя такие компоненты как инжектирующие сопла 18 и/или ферритные стержни 20, индукционная катушка может быть установлена во вторичном корпусе и установлена в положение над зоной сварки непосредственно перед использованием. Относительно сквозной характер индукционного нагрева стенок допускает отпуск полностью мартенситной структуры в течение сравнительно короткого периода времени, обычно не более 4 мин, в зависимости от конкретных металлургических характеристик зоны сварки 19.
Дополнительная катушка наружного нагрева (не показана), представляющая собой хорошо известное устройство, может быть центрирована поверх зоны сварки 19, как показано, с помощью распорок и снабжена питанием, допускающим отпуск. Наружная нагревательная катушка может состоять из разъемного обода, размещенного в разъемном кольце 7А, 7В, показанном на фиг. 1, или же может состоять из полностью охватывающей катушки. Когда близость катушки к металлическим приспособлениям вокруг сварочного поста может вызвать сторонний нагрев, катушку располагают на определенном коротком расстоянии от сварочного поста. Когда сварка выполняется в герметичной камере, образуемой кольцом 7А, 7В, содержащим защитные газы, вне зависимости от того, являются ли они неокисляющими или восстановительными, желательно поместить катушку внутри этой камеры.
Относительно сквозной характер индукционного нагрева стенок допускает отпуск полностью мар-тенситной структуры в течение сравнительно короткого времени, обычно не более 4 минут, в зависимости от точных металлургических характеристик зоны сварки.
Для толстостенных труб 15, 25 может оказаться предпочтительным нагрев с использованием сочетания внутренней и наружной катушек во внутренней штанге 30 и наружном кольце 7А, 7В, чтобы гарантировать равномерный нагрев по толщине стенки трубы. В этом случае питание обеих катушек осуществляется независимо и одновременно.
Внутренняя штанга 30, показанная на фиг. 2, может иметь контакты нагрева сопротивлением (не показаны), расположенные по окружности вокруг ее периферии на равных расстояниях выше и ниже зоны сварки 19. Ток, обычно силой 400 А, пропускают между этими контактами по составному кабелю с целью нагрева за счет электрического сопротивления. Нагрев контролируют оптическим или контактным пирометром, расположенным внутри или снаружи трубы и входящим в управляющий контур, который регулирует пропускание тока.
Если штанга 30 включает в себя компоненты, такие как инжектирующие сопла 18 и/или ферритные стержни 20, контакты сопротивления устанавливают во вторичном корпусе, прикрепленном к первичному корпусу и установленном в положение над зоной сварки 19 непосредственно перед использованием. Относительно сквозной характер нагрева сопротивлением стенок допускает отпуск полностью мартен-ситной структуры в течение сравнительно короткого периода времени, обычно не более 4 мин, в зависимости от конкретных металлургических характеристик зоны сварки 19.
По желанию наружные электрические контакты могут быть установлены выше и ниже зоны сварки 19 в конфигурации, описанной на фиг. 2. Когда близость наружных контактов к металлическим приспособлениям вокруг сварочного поста может вызвать сторонний нагрев, контакты располагают на определенном коротком расстоянии от сварочного поста и переводят в нужное положение тогда, когда это потребуется. Когда сварка выполняется в герметичной камере, содержащей защитные газы, вне зависимости от того, являются ли они неокисляющими или восстановительными, желательно поместить контакты внутри этой камеры.
Относительно сквозной характер нагрева сопротивлением стенок допускает отпуск полностью мар
- 4 -
008322
тенситной структуры в течение сравнительно короткого времени, обычно не более 4 минут, в зависимо -сти от точных металлургических характеристик зоны сварки.
Для толстостенных труб 15, 25 может оказаться предпочтительным нагрев концов труб 19 с использованием сочетания внутренних и наружных контактов для обеспечения равномерного нагрева по толщине стенки трубы. В этом случае питание обоих комплектов контактов осуществляется независимо и одновременно.
Некоторые области применения сварных труб требуют перед использованием неразрушающих испытаний сварного шва. В этих случаях применения в состав внутренней штанги могут быть соответственно включены измерительные датчики 14, 22, такие как обычные ультразвуковые, электромагнитно-акустические и другие датчики.
Может оказаться полезным подвергнуть некоторые материалы, после кузнечной сварки и перед использованием термообработке с целью улучшения их механических и коррозионных характеристик. В этих случаях нагревательное устройство, такое как нагревательная катушка 23, показанная на фиг. 2, может быть помещено в корпус штанги или добавлено в качестве вспомогательного приспособления в дополнительном корпусе. Это нагревательное устройство может использоваться, в частности, с трубами 15, 25 меньшего диаметра в качестве первичного нагревательного устройства.
При некоторых обстоятельствах, в особенности с трубами большего диаметра, зажимные и нажимные элементы 12, 13, 24, 26 также могут быть встроены во внутреннюю штангу 30. Такой вариант имеет то преимущество, что отпадает необходимость в дополнительном наружном устройстве, таком как разъемное кольцо 7А, 7В, показанное на фиг. 1, так что штангу 30 можно использовать для кузнечной сварки труб, находящихся в скважине.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ кузнечной сварки концов труб, при котором концы труб нагревают до заданной температуры свыше 1200°С и окружают неокислительным и/или восстановительным защитным газом, когда концы труб прижимают друг к другу, причем осуществляют охлаждение сваренных кузнечной сваркой концов труб от указанной температуры свыше 1200 до 600°С или ниже в течение 3 мин после операции кузнечной сварки, при этом внутренняя и/или наружная часть концов труб содержится в герметичной камере, в которую во время фазы нагрева и операции кузнечной сварки вдувают защитный газ, а во время фазы охлаждения подают закалочную среду.
2. Способ по п.1, в котором сваренные кузнечной сваркой трубы состоят из высокоуглеродистой стали и охлаждаются от температуры аустенизации стали или выше до приблизительно 300°С в течение одной минуты.
3. Способ по п.1 или 2, в котором закалочной средой является холодный жидкий азот или жидкая двуокись углерода.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором заданная температура свыше 1200°С ниже температуры солидуса концов труб.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором температура концов труб отслеживается по меньшей мере во время фазы охлаждения путем слежения за цветом и/или интенсивностью света, испускаемого концами труб, при этом концы труб нагревают одновременно посредством электрического и/или электромагнитного нагрева во время по меньшей мере части фазы охлаждения для достижения заданной скорости охлаждения.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором трубы являются трубами нефтяного сортамента.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором трубы и сваренные кузнечной сваркой концы труб выполнены с возможностью расширения в радиальном направлении посредством расширительного инструмента, такого как коническая оправка, до большего внутреннего и наружного диаметра.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором сварной шов проверяют с помощью устройства, включенного во внутреннюю штангу в качестве составной части этой штанги, или в качестве вспомогательного приспособления, содержащегося в отдельном корпусе.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором нажимные усилия, необходимые для выполнения кузнечной сварки, создаются нажимными элементами, установленными на внутренней штанге.
10. Способ по любому из пп.1-9, в котором нагрев для кузнечной сварки и/или термообработки после сварки осуществляется с использованием нагревательного устройства, входящего в состав внутренней штанги.
11. Способ по любому из пп.1-10, в котором трубы являются частью обсадной колонны, причем буровой снаряд и сваренные кузнечной сваркой трубы образуют колонну труб, несущую расширяемое буровое долото, причем предусмотрено постепенное удлинение колонны труб путем присоединения посредством кузнечной сварки труб к верху колонны труб, при этом колонна труб остается в пробуренной скважине в качестве обсадной колонны после завершения операций бурения.
12. Способ по любому из пп.1-11, в котором защитный газ содержит водород.
13. Колонна труб, содержащая множество труб, концы которых соединяются способом кузнечной
- 5 -
008322
сварки согласно любому из пп.1-12, при этом на концах труб имеется полностью мартенситная структу-
14. Колонна труб по п.13, в которой трубы являются трубами для нефтяной промышленности, такими как трубы нефтяного сортамента.
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 6 -