Резьбовое соединение для стальных труб, имеющее улучшенные сопротивление истиранию и свойства, предотвращающие ржавчину - RU2248495C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для стальных труб и в особенности для труб нефтяной скважины, которые имеют улучшенные сопротивление истиранию, свойства, предотвращающие ржавчину, и газонепроницаемость, и которое может быть использовано без необходимости применять жидкую консистентную смазку, содержащую порошок тяжелого металла, такую как составная консистентная смазка.

Трубы для нефтяной скважины, такие как подъемная и обсадная, используемые при бурении нефтяных скважин, обычно соединяются друг с другом резьбовыми соединениями. В прошлом типичная глубина нефтяных скважин составляла от 2000 до 3000 метров, но в последнее время глубина нефтяных скважин может достигать от 8000 до 10000 метров в морских месторождениях нефти и в других глубоких скважинах. Резьбовое соединение для труб нефтяных скважин подвергается воздействию различных сил в окружающей среде при использовании, включая такие нагрузки, как осевые растягивающие силы, создаваемые весом трубы нефтяной скважины и резьбового соединения, сочетания внутреннего и внешнего давлений, и геотермального тепла, которое возрастает с увеличением глубины. Поэтому резьбовое соединение должно иметь возможность сохранять газонепроницаемость без разрушения в таких окружающих средах.

В процессе опускания подъемной или обсадной трубы в скважину соединение, которое однажды было свинчено для присоединения, часто требуется развинчивать и затем снова свинчивать. Американский нефтяной институт требует, чтобы при этом не происходило истирание, которое представляет собой не восстанавливаемое заедание, и чтобы сохранялась газонепроницаемость, даже если свинчивание (составление) и развинчивание (отсоединение) повторяются 10 раз для соединения подъемной трубы и 3 раза для соединения обсадной трубы.

Трубы нефтяных скважин обычно соединяются с использованием резьбового соединения конструкции штифт-муфта, имеющего контактную часть металл с металлом, образующую хорошее уплотнение. В этом резьбовом соединении обычно штифт образован на наружной поверхности каждого конца трубы нефтяной скважины и имеет часть с наружной резьбой и металлическую контактную часть без резьбы. Такая металлическая контактная часть далее будет упоминаться как "металлическая контактная часть без резьбы". Соединительная муфта образована на внутренней поверхности отдельной соединительной детали в форме втулки, и она имеет часть с внутренней резьбой и металлическую контактную часть без резьбы, такие, чтобы они соединялись с соответствующими частями штифта с резьбой и без резьбы. Когда штифт ввинчивается в муфту для свинчивания, металлические контактные части без резьбы штифта и муфты изготовлены так, чтобы плотно контактировать друг с другом для образования металлического уплотнения.

Для того, чтобы гарантировать адекватные уплотнительные свойства металлического уплотнения резьбового соединения в окружающей среде трубы нефтяной скважины, чрезмерно высокое поверхностное давление, которое может превышать предел текучести материала для резьбового соединения, должно быть приложено к металлическим контактным частям без резьбы в процессе свинчивания. При этом высоком давлении легко происходит истирание. Следовательно, перед свинчиванием консистентная смазка, называемая составной консистентной смазкой, которая представляет собой вязкую текучую жидкость, наносится на металлические контактные части и резьбы для повышения их сопротивления истиранию и газонепроницаемость. Так как составная консистентная смазка имеет хорошие свойства, предотвращающие ржавчину, она часто наносится на резьбовое соединение перед отгрузкой соединения для предотвращения соединения от ржавчины перед использованием в нефтяной скважине.

Было предложено в известном уровне техники подвергать резьбовое соединение поверхностной обработке с целью улучшить удержание составной консистентной смазки и передать уменьшенное трение.

Например, японская патентная публикация №61-79797 (1986) описывает резьбовое соединение, имеющее часть с резьбой, покрытую Zn или Sn, и металлическое уплотнение (металлическую контактную часть без резьбы), покрытую золотом или платиной. Японская патентная публикация №3-78517 (1991) описывает соединение труб, имеющее покрытие из синтетической смолы, которое содержит 20-90% дисульфида молибдена, имеющего диаметр частиц 10 микрон или меньше, диспергированных в ней. Японская патентная публикация №8-103724 (1996) описывает способ поверхностной обработки соединения стальных труб, содержащий образование нижнего покрытия из химически переработанного фосфата марганца, и верхнего покрытия из смолы, содержащей дисульфид молибдена. Японская патентная публикация №8-105582 (1996) описывает способ поверхностной обработки соединения труб, содержащий образование первого слоя нитрида, второго слоя нанесенного покрытия из железа или железного сплава и третьего, самого верхнего покрытия из смолы, содержащей дисульфид молибдена.

Японская патентная публикация №62-258283 (1987) описывает соединение для труб нефтяной скважины, которое имеет пористое нанесенное покрытие из цинка или цинкового сплава на, по меньшей мере, поверхности его металлической уплотнительной части, причем покрытие образовано нанесением покрытия обдувкой, которое производится обдувкой частицами, имеющими сердечник из железа или железного сплава, покрытый слоем цинка или цинкового сплава. В публикации описано, что нанесенное покрытие не подвергается замедленному разрушению, которое вызывается водородной хрупкостью, и хорошо удерживает смазочное вещество в связи с его пористостью, в результате чего преимущество в виде газонепроницаемости и сопротивления истиранию может быть достигнуто даже в трубах нефтяной скважины из высокопрочной высоколегированной стали. Таким образом, покрытие, образованное нанесением обдувкой, предусматривает использование составной консистентной смазки в качестве смазочного вещества.

Все резьбовые соединения, описанные в вышеуказанных публикациях, предполагается использовать с составной консистентной смазкой для обеспечения достаточного сопротивления истиранию. Однако использование составной консистентной смазки создает проблемы, касающиеся окружающей среды и газонепроницаемости при высокой температуре, как описано ниже.

Составная консистентная смазка содержит большое количество порошка тяжелого металла, такого как свинец, цинк или медь. Поскольку часть составной консистентной смазки, нанесенная на резьбовое соединение, выводится в окружающую среду вымыванием или выходом в процессе свинчивания, использование составной консистентной смазки вызывает загрязнение окружающей среды. Кроме того, применение составной консистентной смазки ухудшает рабочую окружающую среду.

В последнее время в нефтяные скважины с высокой температурой, такой как 250-300°С, в связи с возрастающей глубиной, а также в нефтяные скважины с подачей пара вводится пар при высокой температуре, близкой к критической температуре (например, около 350°С) для повышения извлечения нефти. Резьбовые соединения для нефтяных скважин, которые используются в окружающей среде с такой высокой температурой, требуются для обеспечения хорошей теплостойкости, о чем свидетельствует сохранение газонепроницаемости при испытании, в котором соединение, которое было свинчено, удерживается при температуре выше 350°С в течение определенного периода и затем подвергается развинчиванию и повторному свинчиванию. При составной консистентной смазке смазывающая способность может уменьшиться при такой высокой температуре в связи с испарением одного или нескольких компонентов консистентной смазки, что приводит к невозможности достижения требуемой газонепроницаемости, когда развинченное соединение снова свинчивается при испытании.

Для исключения необходимости применения составной консистентной смазки было предложено резьбовое соединение, имеющее твердое смазочное покрытие. Например, резьбовое соединение, имеющее твердое смазочное покрытие, которое содержит смолу, такую как эпоксидная смола, имеющая дисульфид молибдена в качестве твердого смазочного вещества, диспергированного в ней, описано в японских патентных публикациях №№ 8-233163 (1996), 8-23164 (1996) и 9-72467 (1997).

Однако такое твердое смазочное покрытие хуже по качеству, чем составная консистентная смазка в отношении возможности защиты резьбового соединения от ржавчины в условиях месторождения от отгрузки резьбового соединения до его использования в нефтяной скважине. Поэтому резьбовое соединение способно ржаветь и таким образом образовывать вздутия или вызывать отсоединение твердого смазочного покрытия, что в свою очередь делает свинчивание соединения нестабильным, что приводит к возникновению истирания или понижения газонепроницаемости.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание резьбового соединения для стальных труб, имеющего улучшенные сопротивление истиранию, газонепроницаемость и свойства, предотвращающие ржавчину, которое может обеспечить газонепроницаемость его металлической уплотнительной части после проведения повторного свинчивания и развинчивания без применения жидкой консистентной смазки, содержащей порошок тяжелого металла, такой как составная консистентная смазка, даже если оно используется для свинчивания труб нефтяной скважины, размещенных в окружающей среде с высокой температурой, такой, имеющей место в глубокой высокотемпературной нефтяной скважине, или нефтяной скважине с введением пара, и/или даже если они изготовлены из любой стали из широкого разнообразия сталей, включающего от углеродистой стали до высоколегированной стали.

Этот технический результат достигается тем, что в резьбовом соединении для стальных труб, содержащем штифт и муфту, способные соединяться друг с другом, причем штифт имеет часть с наружной резьбой и металлическую контактную часть без резьбы как соединительную поверхность, и муфта имеет часть с внутренней резьбой и металлическую контактную часть без резьбы как соединительную поверхность, причем соединительная поверхность, по меньшей мере, одного из элементов - штифта или муфты, покрыта нижним слоем пористого цинка или цинкового сплава и верхним смазочным покрытием, согласно изобретению, верхним смазочным покрытием является твердое смазочное покрытие или жидкое покрытие, свободное от порошка тяжелого металла.

Нижний слой пористого цинка или цинкового сплава и верхнее смазочное покрытие могут быть образованы на соединительной поверхности одного из элементов - штифта или муфты.

Соединительная поверхность другого из элементов - штифта или муфты может иметь одно или несколько покрытий, выбранных из слоя пористого цинка или цинкового сплава, нанесенного металлического покрытия, фосфатного покрытия, оксалатного покрытия и боратного покрытия.

Слой пористого цинка или цинкового сплава может иметь толщину от 2 до 40 микрон.

Твердое смазочное покрытие может содержать порошок, проявляющий действие твердой смазки, диспергированный в органическом или неорганическом связующем веществе.

Смазочное покрытие может представлять собой жидкое смазочное покрытие на основе высокоосновной соли металла и органической кислоты.

Слой пористого цинка или цинкового сплава может быть образован ударным нанесением, например таким, как нанесение покрытия обдувкой.

Нанесенное обдувкой покрытие из цинка или цинкового сплава может быть образовано на поверхности резьбового соединения для стальных труб независимо от материала стали для соединения, который охватывает стали от углеродистой стали до высоколегированной стали, содержащей более чем 13 мас.% Сr, использованием, в качестве наносимого обдувкой материала, частиц, имеющих сердечник на основе железа, поверхность которых покрыта цинком или цинковым сплавом, как изложено в японской патентной публикации №59-9312 (1984).

В противоположность покрытию, нанесенному гальваническим способом, полученное в результате нанесенное обдувкой покрытие является пористым. Поэтому, когда твердое или жидкое смазочное покрытие образуется на нем, нижнее покрытие, нанесенное обдувкой, может улучшить прилипание твердого смазочного покрытия или удержание жидкого смазочного покрытия. В результате становится возможным использовать смазочное покрытие наилучшим образом и таким образом достичь улучшенных сопротивления истиранию и газонепроницаемости без использования составной консистентной смазки.

Цинк, который имеется в нижнем слое, является основным металлом, и он, предпочтительно, ионизирует железо, образуя подложку резьбового соединения, и, таким образом, осуществляет эффект протекторной защиты для предотвращения коррозии соединения. Однако, поскольку пористое покрытие нижнего слоя включает ряд пустот и имеет большую площадь поверхности, эффект протекторной защиты этого слоя имеет тенденцию быстро утрачиваться, если нижний слой не подвергается дальнейшей обработке. Образование верхнего смазочного покрытия служит для уплотнения пустоты нижнего слоя и обеспечивает возможность нижнему слою иметь поддерживаемый защитный эффект для достижения улучшения свойств, предотвращающих ржавчину. В частности, когда верхнее покрытие является твердым смазочным покрытием, может быть достигнуто еще большее улучшение сопротивления истиранию, свойств, предотвращающих ржавчину, и газонепроницаемости, тем самым обеспечивается возможность создания резьбового соединения, имеющего улучшенную характеристику даже в окружающей среде с высокими температурами.

Таким образом, с целью улучшения сопротивления истиранию, свойств, предотвращающих ржавчину, и газонепроницаемости, важно, чтобы жидкое или, предпочтительно, твердое смазочное покрытие было образовано на нижнем слое пористого цинка или цинкового сплава.

Далее изобретение более подробно описано со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематически изображает сборку стальной трубы и резьбовой соединительной детали, соединенной с трубой во время отгрузки;

фиг.2 схематически изображает резьбовое соединение для стальных труб согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, типичная стальная труба для использования в качестве трубы нефтяной скважины, отгружается в состоянии, в котором стальная труба А имеет соединительную деталь В в форме втулки, ранее соединенную с одним ее концом. Стальная труба А имеет часть 3А с наружной резьбой на наружной поверхности каждого конца, чтобы образовать штифт 1. Резьбовая соединительная деталь В имеет часть 3В с внутренней резьбой на ее внутренней поверхности на каждой стороне, чтобы образовать муфту 2. Штифт 1 и муфта 2 имеют такие формы, что они могут соединяться друг с другом.

В принципе, стальная труба А может иметь штифт, образованный на одном конце, и муфту, образованную на ее противоположном конце так, что две стальные трубы могут быть соединены друг с другом без использования отдельной соединительной детали. Также стальная труба А может иметь внутреннюю резьбу, образованную на внутренней поверхности на каждом конце, чтобы образовать муфту, и соединительная деталь В может иметь наружную резьбу на наружной поверхности с каждой стороны, чтобы образовать штифт.

На фиг.2 схематически показана конструкция резьбового соединения для стальных труб, которое содержит штифт и муфту, каждый из которых имеет металлическую уплотнительную часть. Штифт 1, который обычно образован на наружной поверхности стальной трубы на каждом из ее концов, содержит металлическую контактную часть 4 без резьбы, размещенную на конце трубы, и часть 3А с наружной резьбой, проходящую по направлению внутрь от металлической контактной части 4. С другой стороны, муфта 2, которая обычно образована на внутренней поверхности соединительной резьбовой детали с каждой стороны и которая может быть соединена со штифтом 1, содержит часть 3В с внутренней резьбой, проходящую по направлению внутрь от конца детали, и металлическую контактную часть 4 без резьбы, размещенную внутри части 3В с резьбой. Части 3А и 3В с резьбой и металлические контактные части 4 без резьбы штифта 1 и муфты 2 образуют соединительные поверхности.

Соединительные поверхности штифта и муфты резьбового соединения требуются для обеспечения сопротивления истиранию, газонепроницаемости и свойств, предотвращающих ржавчину. В соответствии с настоящим изобретением соединительная поверхность, по меньшей мере, одного из элементов - штифта и муфты резьбового соединения покрыта нижним слоем пористого цинка или цинкового сплава и верхним твердым смазочным покрытием или жидким смазочным покрытием, свободным от порошка тяжелого металла, тем самым обеспечивая возможность придания соединительной поверхности всех вышеописанных требуемых свойств без применения составной консистентной смазки. В противоположность тому случаю, когда составная консистентная смазка наносится на соединительную поверхность, соединительная поверхность, покрытая вышеописанным способом, может эффективно иметь эти свойства даже в условиях высокотемпературной окружающей среды.

Нижний слой пористого цинка или цинкового сплава, образованный на соединительной поверхности резьбового соединения, может быть любым пористым покрытием из цинка или цинкового сплава, имеющим хорошее прилипание к стальной поверхности резьбового соединения. Такое пористое покрытие может быть образовано посредством способа ударного нанесения, который является одним из способов нанесения в сухом процессе. Ударное нанесение покрытия образует нанесенное покрытие, состоящее из металлических частиц, которые укладываются друг на друга и прочно связываются с поверхностью подложки. Нанесенное покрытие включает многочисленные равномерно распределенные минимальные пустоты между частицами. Способ ударного нанесения покрытия включает механическое нанесение покрытия, в котором частицы ударяются о предмет, на который производится нанесение во вращающемся барабане, и нанесение покрытия обдувкой, в котором частицы ударяются о предмет, на который производится нанесение, посредством устройства для обдувки.

Поскольку только соединительная поверхность резьбового соединения должна иметь покрытие в соответствии с настоящим изобретением, нанесение покрытия обдувкой, которое может быть локальным нанесением, является подходящим. Устройства для обдувки, которые могут быть использованы для нанесения покрытия обдувкой, включают устройство для обдувки текучей средой высокого давления, в котором частицы вдуваются посредством использования текучей среды высокого давления, такой как сжатый воздух, и механическое устройство для обдувки, в котором используется вращающаяся лопасть, такое как импеллер. Оба эти устройства могут быть использованы.

Частицы для использования при ударном нанесении покрытия, таком как нанесение покрытия обдувкой в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой металлические частицы, имеющие цинк или цинковый сплав, по меньшей мере, на их поверхности. Хотя частицы могут состоять полностью из цинка или цинкового сплава, предпочтительными являются частицы, нанесенные обдувкой, описанные в японской патентной публикации №59-9312 (1984). Частицы, нанесенные обдувкой, представляют собой частицы, имеющие сердечник из железа или железного сплава, который покрыт слоем цинка или цинкового сплава, образующим слой сплава железа с цинком между ними.

Такие частицы могут быть приготовлены, например, покрытием порошка железа или железного сплава в качестве сердечника, цинком или цинковым сплавом (например, сплавом Zn-Fe-Al) безэлектродным и/или электролитическим нанесением покрытия, после чего следует термообработка, чтобы образовать пограничный слой сплава железа с цинком, или способ механического легирования. Они имеются в продаже под торговой маркой "Z Iron" от фирмы Dowa Teppun Kogyo, Япония. Предпочтительно, эти частицы имеют содержание цинка или цинкового сплава в диапазоне от 20 до 60 мас.% и размер частиц от 0,2 до 1,5 мм.

Когда частицы, имеющие сердечник на основе железа, покрытый цинком или цинковым сплавом, наносятся обдувкой на подложку, только цинк или цинковый сплав, которым покрыт сердечник, прилипает к подложке, тем самым образуя покрытие из цинка или цинкового сплава на подложке. Способ нанесения покрытия обдувкой может образовать пористое нанесенное покрытие, имеющее хорошее прилипание к стальной поверхности независимо от состава стали. Следовательно, возможно образовать слой пористого цинка или цинкового сплава, имеющий хорошее прилипание к соединительной поверхности резьбового соединения любого стального материала из широкого разнообразия этих материалов - от углеродистой стали до высоколегированной стали.

Резьбовое соединение в соответствии с настоящим изобретением предотвращается от ржавчины даже в окружающей среде при высоких температурах, с высокой влажностью, благодаря нижнему слою пористого нанесенного покрытия, которое содержит цинк, способный иметь хорошую протекторную защиту. Эта защита посредством нижнего слоя пористого содержащего цинк покрытия поддерживается покрытием его верхним твердым или жидким смазочным покрытием. Пористость нижележащего слоя дает возможность смазочному покрытию иметь хорошее прилипание, когда оно является твердым, или хорошее удержание, когда оно является жидким.

Толщина нижнего слоя цинка или цинкового сплава составляет, предпочтительно, от 2 до 40 микрон для обеспечения свойств, предотвращающих ржавчину, и прилипания. Достаточные свойства, предотвращающие ржавчину, не могут быть обеспечены при толщине менее чем 2 микрона. Толщина больше, чем 40 микрон, может понизить прилипание лежащего сверху твердого или жидкого смазочного покрытия. Более предпочтительной является толщина от 5 до 30 микрон и, наиболее предпочтительно, от 10 до 25 микрон.

Для обеспечения прилипания нижнего слоя предпочтительно, чтобы подложка соединительной поверхности резьбового соединения, на которой образован нижний слой, имела шероховатость поверхности от 3 до 30 микрон, что обозначается, как Rmax. Удовлетворительное прилипание может быть не обеспечено при шероховатости поверхности меньше, чем 3 микрона, что обозначается, как Rmax. С другой стороны, шероховатость поверхности подложки, которая больше, чем 30 микрон (Rmax), приводит к тому, что резьбовое соединение имеет повышенное трение, в результате чего нижний слой может иметь тенденцию разрушаться или отделяться в связи с невозможностью противостоять срезывающей силе или силе сжатия, создаваемой высоким давлением, приложенным во время свинчивания резьбового соединения.

Для того, чтобы отрегулировать шероховатость поверхности соединительной поверхности резьбового соединения в диапазоне от 3 до 30 микрон (Rmax), соединительная поверхность может подвергаться соответствующей предварительной обработке, такой как травление или обдувка перед образованием нижнего слоя цинка или цинкового сплава ударным нанесением покрытия. Предварительная обработка также целесообразна тем, что она открывает активную свежую поверхность, тем самым повышая прилипание нижнего слоя, образованного на поверхности. Обдувка может быть произведена посредством любой известной технологии, такой как пескоструйная очистка, обдувка металлической дробью, обдувка стальной крошкой, обдувка при помощи проволоки или тому подобное. Хотя предпочтительно производить предварительную обработку соединительной поверхности, как описано выше, цели настоящего изобретения могут быть достигнуты образованием слоя цинка или цинкового сплава ударным нанесением покрытия на поверхность без предварительной обработки.

Предпочтительно, слой пористого цинка или цинкового сплава, образованный на соединительной поверхности резьбового соединения, имеет шероховатость поверхности от 5 до 40 микрон, как Rmax, в случаях, когда на нем образовано смазочное покрытие. Если оно имеет Rmax меньше, чем 5 микрон, смазочное покрытие может иметь недостаточное прилипание или удержание. С другой стороны, если оно имеет Rmax больше, чем 40 микрон, резьбовое соединение может иметь повышенное трение, и нижний слой может иметь тенденцию разрушаться или отделяться в связи с невозможностью противостоять срезывающей силе или силе сжатия, создаваемой высоким давлением, приложенным во время свинчивания резьбового соединения. В конструктивном исполнении, в котором только один первый из элементов - штифт и муфта, подвергается поверхностной обработке в соответствии с настоящим изобретением в то время, как другой второй из элементов подвергается поверхностной обработке так, чтобы образовать один слой пористого цинка или цинкового сплава, причем слой цинка или цинкового сплава, образованный на втором элементе, предпочтительно, имеет меньшую шероховатость поверхности от 1 до 10 микрон, как Rmax, для того, чтобы обеспечить долговечность смазочного покрытия, образованного на первом элементе.

Шероховатость поверхности слоя цинка или цинкового сплава, образованного нанесением покрытия обдувкой, может регулироваться по диаметру или толщине покрытия частиц, которые должны наноситься обдувкой, и по скорости обдувки.

На нижнем слое нанесенного покрытия из пористого цинка или цинкового сплава образуется твердое смазочное покрытие или жидкое смазочное покрытие, свободное от порошка тяжелого металла. Смазочное покрытие обычно образуется нанесением, которое может быть осуществлено любым подходящим способом, известным на данном уровне техники, включая нанесение покрытия кистью, погружение в расплав и распыление воздухом или без воздуха. Поскольку нижний слой является пористым, он может обеспечить верхнее твердое или жидкое смазочное покрытие с хорошим прилипанием или удержанием соответственно.

Твердое смазочное покрытие в основном состоит из связующего и порошка, который действует как твердая смазка (здесь и далее такой порошок будет называться "смазочным порошком"), распределенного в связующем. Такое покрытие может быть образовано из состава покрытия, содержащего смазочный порошок, диспергированный в текучей среде, содержащей связующее. В полученном в результате твердом смазочном покрытии смазочный порошок связан с резьбовым соединением посредством связующего, но оно может быть растянуто, чтобы оно стало тонким под действием давления, прилагаемого в процессе свинчивания резьбового соединения, чтобы влиять на его смазывающую способность.

Примеры смазочного порошка включают порошки дисульфида молибдена, дисульфида вольфрама, органических соединений молибдена (например, диалкилтиофосфатов молибдена и диалкилтиокарбаматов молибдена), ПТФЭ (политетрафторэтилен), нитрид бора, но не ограничены этим. Один или несколько из этих порошков может быть использован.

Связующее может быть либо органической смолой, либо неорганическим полимерным соединением.

Органическая смола, имеющая термостойкость и средний уровень твердости и износостойкости, подходит для использования в качестве связующего. Примеры такой смолы включают термореактивные смолы, такие как эпоксидные смолы, полиимиды, полиамидимиды, поликарбодиимиды, фенольные смолы и фурановые смолы, так же, как термопластичные смолы, такие как полиэфирсульфоны, полиэфирэфиркетоны, полиэтилены и кремнийорганические смолы. Предпочтительной является термореактивная смола.

Смазочный порошок диспергирован в текучей среде смолы, которая содержит органическую смолу, растворенную или диспергированную в соответствующем растворителе, чтобы образовать состав покрытия. Растворитель может быть одного или нескольких классов, выбранный из различных низкокипящих растворителей, включая углеводороды (например, толуол) или спирты (например, изопропиловый спирт), в зависимости от используемой смолы.

Состав покрытия наносится на вышеописанный нижний слой, образованный на соединительной поверхности резьбового соединения, и высушивается для удаления растворителя, чтобы образовать твердое смазочное покрытие. В случаях, когда связующее представляет собой термореактивную смолу, полученное в результате твердое смазочное покрытие, предпочтительно, подвергается термообработке для отверждения. Термообработка, предпочтительно, производится при температуре 120°С или выше и, боле предпочтительно, 150-380°С в течение 30 минут или дольше и, более предпочтительно, 30-60 минут.

Неорганическое полимерное соединение, которое может быть использовано как связующее, представляет собой соединение типа оксида металла, имеющее трехмерную структуру с поперечными связями металл-кислород, например, Ti-O, Si-O, Zr-O, Mn-O, Ce-O или Ва-O. Такое неорганическое полимерное соединение может быть образовано гидролизом гидролизуемого металлоорганического соединения, примером которого является алкоголят металла как исходное соединение, после чего следует конденсация полученного в результате гидролизата. Полезные алкоголяты металлов включают те соединения, в которых алкоксильные группы являются низкомолекулярными группами, такими как метокси, этокси, изопропокси, пропокси, изобутокси, бутокси, трет-бутокси или тому подобные. Предпочтительным алкоголятом металла является алкоголят титана или кремния и в особенности алкоголят титана. Наиболее предпочтительным соединением является изопропилат титана, поскольку он обладает исключительными свойствами образования пленки.

В качестве исходного соединения гидролизуемое неорганическое соединение, такое как тетрахлорид титана, может также быть использовано вместо металлоорганического соединения.

Кроме того, часть гидролизуемого металлоорганического соединения может быть таким соединением, как связующее вещество силан, или связующее вещество титанат, в котором часть органических групп, присоединенных к металлу, являются негидролизуемыми группами (например, алкильные группы и в особенности замещенные алкильные группы, имеющие функциональную группу, такую как амино- или эпоксигруппа). В этих случаях негидролизуемые группы остаются в неорганическом полимерном соединении, полученном гидролизом исходного соединения и последующей конденсации гидролизата. Следовательно, продукт не может быть отнесен к "неорганическому" полимерному соединению в прямом смысле слова, но может быть включен в неорганическое полимерное соединение, которое может быть использовано здесь.

Когда связующее является неорганическим полимерным соединением, смазочный порошок может быть диспергирован в растворе исходного материала для того, чтобы такое соединение, как алкоголят металла, образовало состав покрытия. Состав покрытия наносится на вышеописанный нижний слой, образованный на соединительной поверхности резьбового соединения, и затем подвергается увлажнению, и по выбору нагреванию, чтобы стимулировать гидролиз и конденсацию алкоголята металла, что приводит в результате к образованию твердого смазочного покрытия, содержащего смазочный порошок, распределенный в покрытии из неорганического полимерного соединения, образованного связыванием металла с кислородом. Растворитель, используемый для растворения алкоголята металла, может быть выбран из различных органических растворителей, таких как спирты (например, этиловый спирт, изопропиловый спирт и бутиловый спирт), кетоны, углеводороды и галоидированные углеводороды. Для того, чтобы стимулировать образование покрытия, алкоголят металла в полученном в результате растворе может предварительно быть частично гидролизован. Кроме того, небольшое количество воды и/или кислоты, как катализатор гидролиза, может быть добавлено к составу покрытия в небольшом количестве с целью ускорения гидролиза после нанесения соединения.

Увлажнение, которое производится после нанесения, для того, чтобы стимулировать гидролиз алкоголята металла, может быть выполнено созданием для него возможности находиться в атмосфере, предпочтительно, имеющей влажность 70% или выше, на определенный период. После увлажнения, предпочтительно, следует нагревание, чтобы ускорить гидролиз алкоголята, конденсацию гидролизата и удаление спирта, образованного как побочный продукт гидролиза, тем самым обеспечивая возможным образование покрытия в короткий период. Это нагревание также приводит к тому, что полученное в результате твердое смазочное покрытие имеет более прочное прилипание и улучшенное сопротивление истиранию. Нагревание, предпочтительно, выполняют при температуре, близкой к температуре кипения побочного продукта спирта в диапазоне от 100 до 200°С. Нагрев горячим воздухом является более эффективным.

Массовое отношение (или весовое отношение) содержания смазочного порошка (В) к содержанию связующего (А), т.е. В/А, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, 0,3 и самое большее - 9,0. Если это отношение меньше, чем 0,3, полученное в результате твердое смазочное покрытие имеет пониженную смазывающую способность и может не создать достаточного улучшения сопротивления истиранию. Если это массовое отношение В/А больше, чем 9,0, твердое смазочное покрытие имеет пониженное прилипание, результатом чего являются проблемы, включающие значительное удаление смазочного порошка из покрытия. В случаях, когда требуется дальнейшее улучшение сопротивления истиранию, например, в случаях, когда требуется чрезвычайно большое взаимодействие резьбы с частью, снабженной резьбой, массовое отношение В/А является более предпочтительным при величине, по меньшей мере, 0,5 и самое большее - 7,0. В случаях, когда требуется дальнейшее повышение величины сопротивления истиранию, например, в случае высоколегированной стали, наиболее предпочтительной является величина, по меньшей мере, 3,0 и самое большее - 6,5.

Предпочтительно, твердое смазочное покрытие имеет толщину в диапазоне от 5 до 40 микрон. Смазочный порошок, который присутствует в смазочном покрытии, расположен так, чтобы покрывать всю соединительную поверхность под высоким давлением в процессе свинчивания резьбового соединения, тем самым обеспечивая улучшенное сопротивление истиранию. Если толщина смазочного покрытия меньше, чем 5 микрон, количество смазочного порошка, присутствующего в смазочном покрытии, так мало, что улучшение смазывающих свойств посредством описанного выше механизма, удовлетворительно не достигается. Смазочное покрытие, имеющее толщину больше, чем 40 микрон, имеет тенденцию легко отделяться. Такое толстое покрытие может также привести в результате к уменьшенной газонепроницаемости в связи с недостаточным затягиванием во время свинчивания, либо если давление, приложенное при свинчивании, повышается для того, чтобы гарантировать газонепроницаемость, может легко произойти истирание. Толщина твердого смазочного покрытия является наиболее предпочтительной в диапазоне 15-40 микрон.

Различные добавки могут быть по выбору добавлены в твердое смазочное покрытие в таком количестве, которое не влияет на сопротивление покрытия истиранию. Например, один или несколько порошков, выбранных из таких материалов, как цинк, хроматы, окись кремния и окись алюминия, могут быть добавлены, тем самым делая возможным улучшить свойства, предотвращающие ржавчину, самого твердого смазочного покрытия.

В конструктивных исполнениях, в которых нижний слой покрыт жидким смазочным покрытием вместо твердого смазочного покрытия, используется жидкое смазочное покрытие, свободное от порошка тяжелого металла. Жидкое смазочное покрытие содержит основное смазочное вещество в форме вязкой жидкости, которая имеет высокую смазывающую способность, и другие добавки по выбору.

Основное смазочное вещество имеет вид жидкости, но, с точки зрения его высокой вязкости, основное смазочное вещество, предпочтительно, разбавляется растворителем, чтобы образовать состав покрытия. В результате оно может образовать покрытие, имеющее более равномерные толщину и состав. Такое разбавление также служит для улучшения смачиваемости нижележащей поверхности, которая должна быть покрыта, и для возможности распространения смазочного вещества, и приводит к тому, что основное смазочное вещество и другие добавки легко адсорбируются нижележащей поверхностью, тем самым приводя в результате к эффективному образованию покрытия. Растворитель испаряется после нанесения состава покрытия и, следовательно, не включается в получающееся в результате жидкое смазочное покрытие.

Растворитель, используемый для образования состава покрытия, предпочтительно, представляет собой растворитель, имеющий высокую способность растворения или диспергирования основного смазочного вещества и других добавок, и умеренную летучесть. Примеры такого растворителя включают нефтяные растворители, такие как растворители для химической чистки и минеральные спирты, соответствующие промышленному бензину, как определено в JIS K2201, ароматический лигроин, ксилол и целлосольвы. Смесь из двух или более этих веществ может быть использована. Предпочтительно, растворитель имеет температуру вспышки, по меньшей мере, 30°С, первоначальную температуру кипения, по меньшей мере, 150°С, и конечную температуру максимум 210°С, поскольку такой растворитель относительно легко обрабатывается и испаряется.

Количество растворителя в составе покрытия не является решающим, но оно, предпочтительно, находится в диапазоне 25-80 мас.% и, более предпочтительно, в диапазоне 30-70 мас.%. Если количество растворителя слишком мало, трудно достичь таких вышеописанных эффектов от растворителя адекватно, либо вязкость состава покрытия становится такой высокой, что она влияет на процессы покрытия. Присутствие слишком большого количества растворителя делает полученное в результате жидкое смазочное покрытие слишком тонким, чтобы обеспечить требуемые свойства резьбового соединения.

Основное смазочное вещество представляет собой компонент, который вносит наибольший вклад в смазывающую способность жидкого смазочного покрытия. В качестве основного смазочного вещества может быть использовано жидкое вещество, имеющее высокую смазывающую способность само по себе. Предпочтительным основным смазочным веществом является высокоосновная (сверхосновная) соль металла органической кислоты. Однако основное смазочное вещество не ограничено этим, и любое вещество, способное образовать жидкое смазочное покрытие, имеющее смазывающую способность, сравнимую со смазывающей способностью высокоосновной соли металла и органической кислоты, может быть использовано.

Высокоосновная соль металла и органической кислоты может быть одного или нескольких классов, выбранных из высокоосновного сульфоната металла, высокоосновного салицилата металла, высокоосновного фенолята металла и высокоосновного карбоксилата металла. Эти высокоосновные соли металла и органической кислоты представляют собой вещества в вязких жидкостях, содержащие избыточное количество соли щелочного или щелочноземельного металла, чтобы превратить их в основные и придать им улучшенные свойства, предотвращающие ржавчину, и смазывающую способность.

Высокоосновная соль металла и органической кислоты может быть солью щелочного металла, такой как соль лития, натрия или калия, или солью щелочноземельного металла, такой как соль кальция, магния или бария. Для каждой из вышеуказанных солей органических кислот соль щелочноземельного металла является более предпочтительной, чем соль щелочного металла, и соль кальция является более предпочтительной, с точки зрения сопротивления истиранию.

Часть сульфокислоты, которая образует высокоосновный сульфонат металла, может быть нефтяной сульфокислотой, которая получается сульфированием ароматических компонентов нефтяного дистиллята, или синтетической алкилароматической сульфокислоты. Примеры синтетической сульфокислоты включают додецилбензолсульфокислоту, динонилнафталинсульфокислоту и им подобные. Как описано выше, соль сульфоната может быть солью щелочного или щелочноземельного металла, и предпочтительно, она является солью щелочноземельного металла и, более предпочтительно, солью кальция. В качестве примера такой предпочтительный высокоосновный сульфонат кальция будет описан ниже, но высокоосновный сульфонат металла этим не ограничивается. Высокоосновный сульфонат кальция имеется в продаже. Примерами промышленного продукта являются Sulfol 1040, изготовляемый Matsumura Petroleum Institute, и Lubrizol 5318, изготовляемый фирмой Japan Lubrizol.

Высокоосновный сульфонат кальция приготавливают растворением нейтральной соли сульфоната в соответствующем растворителе, таком как выбранный из ароматического углеводорода, спирта и минерального масла, добавления гидроксида кальция в количестве, достаточном для получения щелочного числа, требуемого для высокоосновного сульфоната кальция, и смешения. После этого избыточное количество газообразной двуокиси углерода для того, чтобы карбонизировать добавленный гидроксид кальция, пропускается через смесь, которая затем фильтруется в присутствии вспомогательного фильтрующего материала, такого как активированный каолин. Фильтрат дистиллируется в вакууме, чтобы удалить летучий растворитель, причем требуемый высокоосновный сульфонат кальция остается в остатке.

Высокоосновный сульфонат кальция, приготовленный этим способом, представляет собой вязкое жидкое вещество, которое содержит коллоидные мелкие частицы карбоната кальция, диспергированные в маслянистом веществе стабильным образом. Так как диспергированные частицы карбоната кальция могут выполнять роль твердого смазочного вещества, высокоосновный сульфонат кальция может иметь значительно превосходящую смазывающую способность по сравнению с обычным жидким смазочным маслом. Кроме того, в случае, в котором поверхность трения имеет мелкие неровности (шероховатость поверхности), высокоосновный сульфонат кальция может иметь даже более превосходящее действие, предотвращающее истирание резьбового соединения, благодаря комбинированному воздействию эффекта смазки микропленкой текучей среды, создаваемой гидростатическим давлением, и эффекта твердой смазки мелкими частицами.

Высокоосновный салицилат металла может быть солью щелочного или щелочноземельного металла и алкилсалициловой кислоты. Алкилсалициловая кислота может быть приготовлена воздействием на алкилфенол, полученный алкилированием фенола альфа-олефином, имеющим примерно от 14 до 18 атомов углерода, реакцией Колбе-Шмитта, для того, чтобы ввести карбоксильную группу.

Высокоосновный салицилат металла может быть приготовлен превращением нейтральной соли салицилата в высокоосновную соль металла, например соль кальция, тем же способом, который был описан в связи с высокоосновным сульфонатом кальция. Примеры этих промышленных продуктов включают OSCA 431 и OSCA 453 фирмы OSCA Chemicals, и SAP 005 фирмы Shell Chemicals.

Высокоосновный фенолят металла может быть приготовлен превращением нейтральной соли фенолята в высокоосновную соль металла, например соль кальция, тем же способом, который был описан в связи с высокоосновным сульфонатом металла. Нейтральный фенолят может быть получен реакцией алкилфенола, как описано выше, с гидроксидом металла в присутствии в качестве катализатора элементарной серы в растворе спирта.

Часть карбоновой кислоты, которая образует высокоосновный карбоксилат металла, предпочтительно, является монокарбоновой кислотой или дикарбоновой кислотой, которая, предпочтительно, содержит от 5 до 19 атомов углерода. Примеры монокарбоновой кислоты включают капроновую кислоту, каприловую кислоту, каприновую кислоту, лауриновую кислоту, тридекановую кислоту, миристиновую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, изостеариновую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, линоленовую кислоту, нафтеновую кислоту и бензойную кислоту, Примеры дикарбоновой кислоты включают пробковую кислоту, азелаиновую кислоту и себациновую кислоту. Способ превращения нейтральной соли в высокоосновную соль может быть тем же самым, как описано выше.

Все высокоосновные соли металла и органической кислоты, описанные выше, являются вязкими жидкостями или текучими средами, которые содержат избыток щелочи, такой как карбонат кальция, в форме мелких частиц, диспергированных в масле. Один или несколько из этих высокоосновных сульфонатов металла и органической кислоты может быть использован как основное смазочное вещество. При использовании двух или нескольких основных смазочных веществ они могут быть либо одного и того же класса (например, два высокоосновных сульфоната металла), либо различных классов (например, сочетание высокоосновного сульфоната металла и высокоосновного фенолята металла).

Чем выше щелочное число высокоосновной соли металла и органической кислоты, которая используется как основное смазочное вещество, тем выше количество избыточных мелких частиц щелочи, содержащихся в нем, и тем выше смазывающая способность. Кроме того, смазочное покрытие, имеющее степень основности выше определенного уровня, повышает свойства, предотвращающие ржавчину, благодаря эффекту нейтрализации кислотных веществ, которые могут вызывать ржавчину. По этой причине высокоосновная соль металла и органической кислоты, используемая в настоящем изобретении, имеет щелочное число (JIS K2501), по меньшей мере, 40 мг КОН/г. Однако основное смазочное вещество, имеющее щелочное число, превышающее 500 мг КОН/г, имеет повышенные гидрофильные свойства и пониженные свойства, предотвращающие ржавчину. Щелочное число основного смазочного вещества является более предпочтительным в диапазоне 100-500 мг КОН/г и, наиболее предпочтительно, в диапазоне 250-450 мг КОН/г.

Содержание высокоосновной соли металла и органической кислоты, присутствующей в составе покрытия, составляет, предпочтительно, по меньшей мере, 10 мас.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 20 мас.% и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 30 мас.% от всего содержания твердых частиц в составе покрытия. Если содержание высокоосновной соли металла и органической кислоты составляет меньше, чем 10 мас.%, полученное в результате жидкое смазочное покрытие может иметь недостаточную смазывающую способность и свойства, предотвращающие ржавчину. Также является предпочтительным, чтобы количество основного смазочного вещества было выбрано таким, чтобы полученное в результате смазочное покрытие имело щелочное число от 40 до 500 мг КОН/г по причине, описанной выше.

Состав смазочного покрытия, который используется для образования жидкого смазочного покрытия, может содержать термопластичную смолу, которая служит для повышения толщины полученного в результате смазочного покрытия и также его сопротивления истиранию, когда оно вводится в поверхность раздела, по которой происходит трение. Примеры полезных термопластичных смол включают полиэтиленовые смолы, полипропиленовые смолы, полистирольные смолы, полиметилакрилатные смолы, сополимерные смолы стирола/акрилата, полиамидные смолы и тому подобные.

Термопластичная смола, предпочтительно, присутствует в составе покрытия в форме частиц или в форме порошка, что лучше, чем в виде раствора в нем. Термопластичная смола в форме частиц может оказывать смазывающее действие, подобное действию твердого смазочного вещества, при введении в поверхность раздела, по которой происходит трение, и обеспечивает повышение улучшенного сопротивления истиранию. С этой целью может быть произведено вспучивание частиц. Плотность (JIS K7112) термопластичной смолы, предпочтительно, находится в диапазоне 0,9-1,2. С учетом потребности в смоле для облегчения деформации на поверхности трения, и чтобы иметь смазывающую способность, термопластичная смола, предпочтительно, имеет температуру термической деформации (JIS K7206) 50-150°С. Предпочтительно, чтобы частицы термопластичной смолы имели маленький диаметр для того, чтобы повысить толщину смазочного покрытия и улучшить его сопротивление истиранию. Однако частицы диаметром меньше, чем 0,05 микрон, приводят к тому, что состав смазочного покрытия имеет заметно высокую тенденцию к истиранию, тем самым делая затруднительным образование покрытия с равномерной толщиной. Частицы диаметром больше, чем 30 микрон, с трудом вводятся в поверхность раздела, по которой происходит трение, и легко отделяются осаждением или всплыванием в составе покрытия, тем самым затрудняя образование однородного покрытия. Соответственно, диаметр частиц, предпочтительно, находится в диапазоне 0,05-30 микрон и, более предпочтительно, в диапазоне 0,07-20 микрон.

Когда термопластичная смола добавляется в состав покрытия, ее содержание составляет, предпочтительно, 0,5-30 мас.%, более предпочтительно, 1-20 мас.% и, наиболее предпочтительно, 2-15 мас.% от всего содержания твердых частиц в составе покрытия. В случаях, когда термопластичная смола имеет форму частиц, добавление таких частиц в избыточном количестве может превратить состав покрытия в гель.

Состав покрытия, используемый для образования жидкого смазочного покрытия, может, кроме того, включать одну или несколько добавок, дополнительно к указанным выше компонентам. Примеры таких добавок, которые являются пригодными для использования по настоящему изобретению, включают смазочные вещества, отличные от высокоосновных солей металлов и органических кислот, и вещества для работы при больших давлениях. Примеры таких других смазочных веществ включают соли жирных кислот, синтетические сложные эфиры, природные масла и жиры, парафины и минеральное масло, но не ограничены ими. Среди этих добавок синтетическая кислота и вещество для работы при больших давлениях, предпочтительно, добавляются в состав покрытия, поскольку предшествующее имеет эффект повышения пластичности термопластичной смолы, и последнее имеет эффект повышения сопротивления истиранию.

Соль жирной кислоты имеет свойства, подобные свойствам описанной выше высокоосновной соли металла и органической кислоты, хотя на более низком уровне, и она может быть включена в состав покрытия в виде растворителя. С точки зрения смазывающей способности и свойств, предотвращающих ржавчину, жирная кислота, образующая соль, предпочтительно, имеет 12-30 атомов углерода. Жирная кислота может быть либо смешанной жирной кислотой, извлеченной из природного масла или жира, либо одним соединением жирной кислоты. Соль жирной кислоты является, предпочтительно, солью щелочноземельного металла, в особенности солью кальция, и она может быть нейтральной солью или основной солью.

Синтетический сложный эфир имеет эффект повышения пластичности термопластичной смолы и в то же время он может повысить текучесть смазочного покрытия под действием гидростатического давления. Высокоплавкий синтетический сложный эфир может также быть использован для регулирования температуры плавления и мягкости полученного в результате смазочного покрытия. Синтетические сложные эфиры, удобные для использования, включают моноэфиры жирных кислот, диэфиры двухосновных кислот и эфиры жирных кислот триметилолпропана и пентаэритрита. Примеры моноэфира жирной кислоты включают моноэфиры карбоновой кислоты, имеющей 12-24 атомов углерода с высшим спиртом, имеющим 8-20 атомов углерода. Примеры сложного диэфира двухосновной кислоты включают диэфиры двухосновной кислоты, имеющей 6-10 атомов углерода с высшим спиртом, имеющим 8-20 атомов углерода. Примерами жирной кислоты, образующей сложный эфир жирной кислоты триметилолпропана и пентаэритрита, являются кислоты, имеющие 8-18 атомов углерода.

Природные масла и жиры, такие как топленое говяжье сало, лярд, ланолин, пальмовое масло, рапсовое масло и кокосовое масло; воски, такие как природный воск или парафиновый воск, имеющие молекулярную массу 150-500; и минеральное масло или синтетическое минеральное масло, имеющее вязкость 10-300 сСт при 40°С, может быть использовано для регулирования вязкости смазочного покрытия.

Количество этих других смазочных веществ, добавляемых в состав покрытия, составляет, предпочтительно, максимально 90 мас.% и, более предпочтительно, максимально 75 мас.%, и наиболее предпочтительно, максимально 60 мас.% по отношению ко всему содержанию твердых частиц в составе. Поскольку другие смазочные вещества облегчают образование равномерного смазочного покрытия, предпочтительно, чтобы состав содержал, по меньшей мере, 5 мас.% одного или нескольких других смазочных веществ. Также предпочтительно, чтобы количество других смазочных веществ было выбрано таким образом, чтобы образовать смазочное покрытие, имеющее число омыления 30-100 мг КОН/г.

Вещество для работы при больших давлениях включает сульфурированные масла и жиры, полисульфиды, фосфаты, фосфиты, тиофосфаты и соли металла и дитиофосфорной кислоты, но не ограничивается ими.

Примерами сульфурированных масел и жиров являются соединения, имеющие содержание серы 5-30 мас.%, приготовленные нагреванием животного или растительного масла или жира, имеющих ненасыщенные связи с серой.

Примерами полисульфидов являются соединения, имеющие формулу R¹-S_с-R² (где R¹ и R² являются одинаковыми или различными и обозначают алкильную группу, арильную группу, алкиларильную группу или арилалкильную группу, имеющую от 4 до 22 атомов углерода, и "с" представляет собой целое число от 2 до 5), и сульфурированные олефины, каждый из которых имеет 2-5 последовательных сульфидных групп. Примеры предпочтительных полисульфидов включают дибензилдисульфид, ди-трет-додецилполисульфид и ди-трет-нонилполисульфид.

Фосфаты, фосфиты, тиофосфаты и соли металла дитиофосфорной кислоты могут иметь следующие формулы:

фосфат: (R³O)(R⁴)P(=O)(OR⁵)

фосфит: (R³ O)(R⁴O)P(OR⁵)

тиофосфат: (R³)(R⁴O)P(=S)(OR⁵)

соль металла дитиофосфорной кислоты: [(R³O)(R⁶ O)P(=S)-S]₂-Me

В приведенных выше формулах каждое из обозначений R³-R⁶обозначает алкильную группу, циклоалкильную группу, алкилциклоалкильную группу, арильную группу, алкиларильную группу или арилалкильную группу, каждая из которых имеет до 24 атомов углерода, или R⁴ и R⁵ могут быть водородом. Me обозначает металл, выбранный из молибдена (Мо), цинка (Zn) и бария (Ва).

Предпочтительные примеры этих соединений включают трикрезилфосфат и диоктилфосфат для фосфатов; тристеарилфосфит, тридецилфосфит и дилаурилгидрогенфосфит для фосфитов; тридодецил- и тритридецилтиофосфаты и триалкилфенилтиофосфат для тиофосфатов; и цинкдиалкилдитиофосфат, в которых R³ и R⁶ являются первичными или вторичными алкильными группами, имеющими 3-20 атомов углерода в солях металла и дитиофосфорной кислоты.

Количество вещества для работы при больших давлениях в составе покрытия, предпочтительно, находится в диапазоне 0-20 мас.% и, более предпочтительно, 1-15 мас.% по отношению к общему содержанию твердых частиц в составе. Если количество вещества для работы при больших давлениях слишком велико, оно может оказывать вредное воздействие на свойства, предотвращающие ржавчину.

Состав покрытия может дополнительно включать один или несколько антиоксидантов, консервантов, депрессантных присадок и присадок, понижающих температурную зависимость вязкости. Примеры антиокисданта включают бисфенолы, такие как метилен-4,4-бис(2,6-ди-трет-бутилфенол), алкилфенолы, такие как ди-трет-бутилкрезол и нафтиламины. Примеры депрессантых присадок и присадок, понижающих температурную зависимость вязкости, включают полиметакрилаты и полиолефины. При наличии обычно добавляется антиоксидант в количестве от 0,01 до 1,0 мас.%, и депрессантную присадку и присадку, понижающую температурную зависимость вязкости, добавляют, каждую в количестве 1-5 мас.% по отношению к общему содержанию твердых частиц в составе покрытия.

Предпочтительно, состав покрытия, используемый для образования жидкого смазочного покрытия, в котором нет порошка тяжелого металла, имеет вязкость в диапазоне 2-300 сСт при 40°С. Состав покрытия, имеющий вязкость менее чем 2 сСт, может в результате образовать смазочное покрытие, которое является слишком тонким для того, чтобы достичь адекватной смазывающий способности. Вязкость, большая, чем 300 сСт, может вредно влиять на наносимость состава покрытия. Вязкость может быть отрегулирована количеством растворителя.

Жидкое смазочное покрытие, свободное от порошка тяжелого металла, может быть образовано нанесением вышеуказанного состава покрытия на соединительную поверхность резьбового соединения, имеющего нижний слой цинка или цинкового сплава, предварительно образованный на нем, после чего следует нагревание при необходимости для удаления растворителя. Толщина образованного в результате покрытия, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, 10 микрон, что является достаточным для заполнения мелких зазоров между соединительными поверхностями, например, между резьбами, с целью обеспечить газонепроницаемость. Если толщина меньше, чем 10 микрон, требуемое действие жидкого смазочного покрытия, чтобы смазочное вещество(а) просачивалось в поверхность трения или мигрировало из других зазоров под действием гидростатического давления, создаваемого свинчиванием, не может производиться удовлетворительно.

Так как жидкое смазочное покрытие содержит высокоосновную соль металла и органической кислоты, которая имеет крайне высокую смазывающую способность, толщина не должна быть излишне увеличена. Изготовление покрытия слишком толстым не только приводит к потере смазочного вещества(в), но также вредно влияет на удержание жидкого смазочного покрытия нижележащим слоем пористого цинка или цинкового сплава. Верхний предел толщины смазочного покрытия не является решающим, но обычно составляет 200 микрон. Предпочтительно, толщина жидкого смазочного покрытия составляет 20-150 микрон.

Вышеописанная поверхностная обработка с образованием двух слоев, включающая образование нижнего слоя пористого цинка или цинкового сплава и верхнего твердого смазочного покрытия, или жидкого покрытия, в котором нет порошка тяжелого металла, может быть применена к соединительной поверхности одного из элементов - штифта и муфты, составляющих резьбовое соединение, или к обоим. Хотя предпочтительно применить такую поверхностную обработку с образованием двух слоев ко всей соединительной поверхности штифта и/или муфты, также возможно применить ее только к части соединительной поверхности, например только к поверхности металлической контактной части без резьбы соединительной поверхности.

Поверхностная обработка с образованием двух слоев может достичь целей настоящего изобретения даже в случаях, когда она применена только либо к штифту, либо к муфте, что выгодно с точки зрения стоимости. В этих случаях поверхностная обработка с образованием двух слоев выполняется относительно легче на соединительном элементе (обычно муфте), образованном на соединительной детали, которая значительно короче, чем стальная труба. Другой соединительный элемент (например, штифт), к которому поверхностная обработка с образованием двух слоев не применяется, может не иметь покрытия. В особенности, когда штифт и муфта временно свинчены перед отгрузкой, как показано на фиг.1, другой соединительный элемент, например штифт, может быть предохранен от ржавчины, даже если он не имеет покрытия, так как соединительная поверхность штифта входит в близкий контакт со слоями обработанной поверхности, образованными на соединительной поверхности муфты при временном свинчивании.

Однако, когда резьбовая соединительная деталь соединена со стальной трубой на одном конце трубы, как показано на фиг.1, получающийся в результате узел имеет другие штифт и муфту на противоположном конце стальной трубы и на не соединенной половине соединительной детали, соответственно. Когда только муфты, образованные на обеих сторонах соединительной детали, подвергаются поверхностной обработке с образованием двух слоев в соответствии с настоящим изобретением, штифт, образованный на стальной трубе на одном ее конце, который не соединен с соединительной деталью, не защищен и подвергается воздействию атмосферы, если он не имеет покрытия.

Когда поверхностная обработка в соответствии с настоящим изобретением применяется только к одному из элементов - штифту и муфте, другой элемент может быть подвергнут соответствующей поверхностной обработке, чтобы образовать покрытие, которое может передать свойство, предотвращающее ржавчину, только отдельно, или в сочетании со смазочной способностью.

Такое покрытие включает слой пористого цинка или цинкового сплава, используемый как нижний слой по настоящему изобретению, нанесенное металлическое покрытие, фосфатное покрытие, оксалатное покрытие и боратное покрытие. Слой пористого цинка или цинкового сплава и нанесенное металлическое покрытие имеют высокую способность передавать свойства, предотвращающие ржавчину, в то время как фосфатное покрытие, оксалатное покрытие и боратное покрытие, которые все образованы посредством обработки химическим превращением, имеют высокую способность улучшать свойства скольжения (смазывающую способность).

Нанесение металлического покрытия может быть произведено нанесением покрытия цинком, нанесением покрытия цинковым сплавом, нанесением покрытия никелем или нанесением покрытия медью. Например, фосфатное покрытие включает покрытие фосфатом марганца, покрытие фосфатом цинка, покрытие фосфатом цинка и кальция, покрытие фосфатом цинка и железа и тому подобное. Оксалатное покрытие может быть образовано, например, погружением в водный раствор щавелевой кислоты (C₂H₂O₄), чтобы образовать покрытие, составленное из оксалатов металла, таких как оксалат железа (FeC₂O₄) и оксалат никеля (NiC₂O₄). Боратное покрытие может быть покрытием из бората металла, например бората калия. Масса покрытия этих покрытий может быть выбрана так, чтобы передать свойства, предотвращающие ржавчину, и/или смазывающую способность в достаточном количестве, но не до чрезмерной степени. Два или несколько из этих слоев, таких, например, как слой пористого цинка или цинкового сплава, или наносимое металлические покрытие, и верхнее фосфатное, оксалатное или боратное покрытие, могут быть нанесены.

Также возможно прикрепить соответствующее ограждение на открытый штифт и/или муфту для того, чтобы защитить их от ржавчины перед использованием в нефтяной скважине.

Примеры

Нижеследующие примеры приведены для того, чтобы проиллюстрировать настоящее изобретение, и они не имеют целью ограничить его. В нижеследующем описании соединительная поверхность, содержащая часть с резьбой и металлическую контактную часть без резьбы штифта, обозначается как поверхность штифта, и такая же часть муфты обозначается как поверхность муфты.

Поверхность штифта и поверхность муфты резьбового соединения (наружный диаметр: 7 дюймов, толщина стенки: 0,408 дюймов) изготовлена из материала, выбранного из углеродистой стали А, Сr-Мо стали В, 13% Сr стали С и высоколегированной стали D, каждая из которых имеет состав, показанный в таблице 1, были подвергнуты поверхностной обработке, показанной в таблице 2, в которой обозначена марка стали (таблица 1) резьбового соединения, и условия для предварительной обработки, включающей образование нижнего слоя, и для образования твердого смазочного покрытия или жидкого смазочного покрытия, свободного от порошка тяжелого металла. Толщина нижнего слоя и толщина смазочного покрытия были определены посредством имеющегося в продаже прибора для определения толщины пленки или измерением массы покрытия и пересчета ее в толщину. В таблице 3 показана композиция состава покрытия, используемого для образования жидкого смазочного покрытия. Состав покрытия для образования твердого или жидкого смазочного покрытия был нанесен нанесением кистью.

Пескоструйная очистка, показанная в таблице 2, была выполнена песком # 80 для шероховатости поверхности 10 микрон и # 62 - для шероховатости поверхности 20 микрон.

Слой Zn и слой Zn-Fe, показанные в колонке предварительной обработки в таблице 2, представляют собой слой пористого цинка и слой пористого сплава цинка с железом, соответственно, образованные нанесением покрытия обдувкой. Нанесение покрытия обдувкой было выполнено использованием частиц, поставляемых фирмой Dowa Teppun Kogyo под торговой маркой "Z Iron", которые имеют железный сердечник, покрытый металлическим цинком или сплавом цинка с железом (Zn-Fe-Al). Те частицы, которые имели цинковое покрытие, были использованы для образования слоя пористого цинка, и те, которые имели покрытие из сплава цинка с железом, были использованы для образования слоя пористого сплава цинка с железом.

Среди твердых смазочных покрытий, показанных в таблице 2, те, в которых связующим была органическая смола (например, полиамидимидная смола), были подвергнуты после образования покрытия термообработке для отверждения в течение 30 минут при температуре, показанной как "Т" в таблице 2, чтобы отвердить покрытие.

Твердые смазочные покрытия, в которых связующим было неорганическое полимерное соединение, имеющее структуру Ti-O, которые показаны как "Ti-O" в таблице 2, были образованы нанесением состава покрытия, который был приготовлен диспергированием смазочного порошка в растворе изопропилата титана, растворенного в 3:1:3 смешанном растворителе, который имел состав: ксилол:бутиловый спирт:трихлорэтилен. После этого покрытия увлажнялись, для чего они были оставлены на выдержку в течение 3 часов в атмосфере, и нагревались в течение 30 минут обдувкой горячим воздухом при 150°С.

В таблице 2 "М" обозначает массовое отношение смазочного порошка к связующему (органической смоле или неорганическому полимерному соединению) в твердом смазочном покрытии и "D" обозначает средний диаметр частиц смазочного порошка.

Жидкие смазочные покрытия, свободные от порошка тяжелого металла, были образованы нанесением состава покрытия, показанного в таблице 3, и затем они были оставлены на выдержку в течение 12 часов при комнатной температуре для испарения растворителя.

Поверхностная обработка с образованием двух слоев в соответствии с настоящим изобретением была применена к поверхности штифта в примере 3, к поверхностям как муфты, так и штифта в примере 4, и к поверхностям муфты в остальных примерах.

Для сравнения, нижний слой покрытия из фосфата марганца был образован в сравнительном примере 1, и нижний слой нанесенного покрытия из железа и фосфата марганца был образован в сравнительном примере 2. Оба слоя были покрыты сверху твердым смазочным покрытием. Только нижний слой пористого цинка был образован на поверхностях как штифта, так и муфты в сравнительном примере 3.

Например, в примере 1, показанном в таблице 2, резьбовое соединение, изготовленное из углеродистой стали А, имеющей состав, показанный в таблице 1, было подвергнуто последующей поверхностной обработке. Поверхность муфты была подвергнута металлическому шлифованию (до шероховатости поверхности 3 микрона) и затем нанесению покрытия обдувкой, чтобы образовать слой пористого цинка, имеющий толщину 12 микрон, как нижний слой. После этого твердое смазочное покрытие, имеющее толщину 27 микрон, было образовано на нижнем слое. Твердое смазочное покрытие содержало полиамидимидную смолу, включающую порошок дисульфида молибдена, имеющий средний диаметр частиц 5 микрон, и массовое отношение порошка дисульфида молибдена к смоле составляло 4:1. Полученное в результате твердое смазочное покрытие было затем подвергнуто термообработке для отверждения при 260°С в течение 30 минут для затвердения покрытия.

Поверхность штифта была подвергнута только механическому шлифованию (до шероховатости поверхности 3 микрона).

Также в примерах от 2 до 13 и сравнительных примерах от 1 до 3 штифт и муфта резьбового соединения, изготовленные из стали, приведенной в таблице 2, были подвергнуты поверхностной обработке, показанной в таблице 2, вышеописанным способом. Оксалатное покрытие, образованное на поверхности штифта посредством обработки химическим превращением, в примере 12 подразумевалось как покрытие, содержащее оксалат железа и оксалат никеля.

Резьбовое соединение с обработанной поверхностью, в котором штифт и муфта не были свинчены, было исследовано на свойства, предотвращающие ржавчину, следующим образом. Для резьбовых соединений в примерах от 1 до 13 и сравнительных примерах 1 и 2 штифт и/или муфта, имеющие твердое или жидкое смазочное покрытие, образованное на них, были подвергнуты испытанию под действием аэрозоля водного раствора солей в течение 336 часов в соответствии с JIS Z2371 и затем испытаны на наличие ржавчины. Для резьбового соединения в сравнительном примере 3, в котором смазочное покрытие не было образовано, как штифт, так и муфта были испытаны вышеописанным способом.

Используя резьбовые соединения, которые были подвергнуты испытанию под действием аэрозоля водного раствора солей, свинчивание (составление) и развинчивание (отсоединение) были повторены вплоть до максимума 20 раз в условиях, показанных в таблице 4, чтобы определить наличие заедания и истирания. Для того, чтобы моделировать окружающую среду нефтяной скважины с высокой температурой, в 11-м или 16-м циклах, вслед за составлением при комнатной температуре следовало нагревание в течение 24 часов при 400°С, и после того, как температура была понижена до комнатной температуры, было произведено отсоединение. В остальных от 1-го до 10-го циклов, от 12-го до 15-го циклов и от 17-го до 20-го циклов составление и отсоединение производились при комнатной температуре без нагревания. Скорость составления равнялась 10 об/мин, и крутящий момент составлял 10340 футов·фунт.

В таблице 5 показаны результаты определения заедания и истирания при повторяющихся испытаниях по соединению и отсоединению и испытания под действием аэрозоля водного раствора солей на наличие ржавчины.

Как можно увидеть из таблицы 5, резьбовые соединения в примерах от 1 до 13, в которых муфта и/или штифт были подвергнуты поверхностной обработке в соответствии с настоящим изобретением, имели улучшенные сопротивление истиранию и свойства, предотвращающие ржавчину. Относительно свойств, предотвращающих ржавчину, небольшая ржавчина была обнаружена в испытании под действием аэрозоля водного раствора солей в примере 5, в котором нижний слой пористого сплава цинка с железом имел небольшую толщину 1,5 микрона, но это не было проблемой в значительной степени. В этом примере 5 и в примере 6, в котором нижний слой имел большую толщину 50 микрон так же, как в примерах 7, 8 и 11, в которых смазочное покрытие было жидким, небольшое заедание имело место в продолжении составления в 18-м и 19-м циклах и позднее в повторяющемся испытании на составление и отсоединение, но испытание могло быть произведено вплоть до последнего 20-го цикла посредством выполнения обычного процесса ремонта. Из результатов примеров 7, 8 и 11 установлено, что жидкое смазочное покрытие, свободное от порошка тяжелого металла, имеет несколько более низкую смазывающую способность, чем твердое смазочное покрытие.

В сравнительных примерах 1 и 2, в которых нижний слой состоял из фосфата марганца или сочетания нанесенного покрытия железа и фосфата марганца, ржавчина была обнаружена на всей поверхности при испытании под действием аэрозоля водного раствора солей. Кроме того, хотя нижний слой фосфата марганца был пористым слоем, истирание имело место в 11-м или 12-м цикле при повторяющемся испытании по составлению и отсоединению, и испытание нужно было остановить на этом цикле. Оказалось, что истирание, легко возникавшее от ржавчины, приводило к тому, что смазочное покрытие легко отделялось, и поверхность подложки имела повышенную шероховатость.

В сравнительном примере 3 не наблюдается никакой ржавчины при испытании под действием аэрозоля водного раствора солей. Однако истирание имело место в 6-м цикле при повторяющемся испытании по составлению и отсоединению. Было подтверждено, что истирание нельзя предотвратить посредством одного нанесенного обдувкой слоя пористого цинка по известному уровню техники, если он покрыт традиционной составной консистентной смазкой, содержащей порошок тяжелого металла.

Промышленное применение

Резьбовое соединение в соответствии с настоящим изобретением имеет улучшенные смазывающую способность свойства, предотвращающие ржавчину, и газонепроницаемость, без применения консистентной смазки, содержащей порошок тяжелого металла, такой, как составная консистентная смазка. Кроме того, эти свойства сохраняются при высокой температуре, нежелательной для составной консистентной смазки. В результате, даже в случаях, когда оно используется для соединения труб нефтяной скважины в нефтяной скважине при высоких температурах, такой как глубокая скважина или скважина с вдуванием пара, возможно исключить или свести к минимуму наличие истирания в продолжение повторяющихся составления и отсоединения и поддержать хорошую газонепроницаемость без возможного загрязнения окружающей среды порошком тяжелого металла.

Настоящее изобретение было описано в связи с определенным конструктивным исполнением, и описание сформулировано выше просто для иллюстрации и не предназначено для ограничения настоящего изобретения. Специалистам в этой области техники должно быть очевидно, что многочисленные изменения и модификации могут быть произведены в изобретении, как описано выше.

Реферат

Изобретение относится к резьбовым соединениям для стальных труб. Резьбовое соединение для стальных труб содержит штифт и муфту, способные соединяться друг с другом. Слой пористого цинка или цинкового сплава в качестве нижнего слоя наносится способом рельефного нанесения. Твердая смазочная пленка, содержащая смазочный порошок в органическом или неорганическом связующем веществе, или жидкая смазочная пленка, свободная от порошка тяжелого металла, например жидкая пленка, образованная, главным образом, сильно основной органической солью металла, такой как высокоосновный сульфонат. Пленки в качестве верхнего слоя предусмотрены на части с резьбой и металлической контактной части без резьбы, по меньшей мере, либо штифта, либо муфты. Резьбовое соединение может обеспечить превосходное сопротивление заеданию, сопротивление коррозии и воздухонепроницаемость даже после того, как оно подвергается воздействию высокой температуры, и обеспечивает возможность повторного затягивания и развинчивания в горячей нефтяной скважине без применения составной консистентной смазки, содержащей порошок тяжелого металла. 1 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Формула