Резьбовое соединение для стальных труб - RU2364781C1
Код документа: RU2364781C1
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для стальных труб, обеспечивающему улучшенное сопротивление заеданию и пригодному для соединения труб нефтяного сортамента.
Предпосылки создания изобретения
Трубы нефтяного сортамента, используемые на нефтяных и газовых месторождениях, могут иметь общую длину, которая иногда достигает несколько тысяч метров. Такие длинные трубы нефтяного сортамента обычно монтируют, соединяя большое количество стальных труб, имеющих единичную длину около 10-12 метров, посредством муфт, которые являются короткими трубными элементами. В зависимости от окружающей среды применения стальных труб и муфт их изготавливают из углеродистой стали, нержавеющей стали или высоколегированной стали.
Эти стальные трубы соединяют посредством резьбового сцепления между ниппелем, имеющим часть с наружной резьбой на своей наружной периферийной поверхности, и муфтой, имеющей часть с внутренней резьбой на своей внутренней периферийной поверхности. Обычно ниппель образуют на каждом конце стальной трубы, а муфту образуют внутри соединения. Соединительная часть, образованная ниппелем и муфтой, является резьбовым соединением.
В случае резьбового соединения для стальных труб, требующего высокую степень герметичности, на конце части ниппеля с наружной резьбой и у основания части муфты с внутренней резьбой образованы безрезьбовые части, предназначенные для контакта металлических поверхностей. Вставляя один конец стальной трубы в муфту и затягивая часть ниппеля с наружной резьбой и часть муфты с внутренней резьбой до контакта безрезьбовых частей ниппеля и муфты, предназначенных для контакта металлических поверхностей, образуют уплотнение «металл к металлу», обеспечивающее герметичность.
На Фиг.9 схематически показано резьбовое соединение, имеющее ниппельно-муфтовую конструкцию этого типа. Ниппель 1 имеет часть 1а с наружной резьбой на своей наружной периферийной поверхности и расположенную на его конце безрезьбовую часть 1b для контакта металлических поверхностей. Соответственно муфта 2 имеет часть 2а с внутренней резьбой на своей внутренней периферийной поверхности и расположенную внутрь от нее безрезьбовую часть 2b для контакта металлических поверхностей. Свинчивание, т.е. соединение труб нефтяного сортамента, осуществляют посредством сцепления резьбовых частей ниппеля 1 и муфты 2 друг с другом и затягиванием этих резьбовых частей до контакта безрезьбовых частей ниппеля 1 и муфты 2, предназначенных для контакта металлических поверхностей.
Для осуществления периодической проверки и т.п. поднимают трубы нефтяного сортамента из скважины и развинчивают их, т.е. расцепляют резьбовые части резьбового соединения и высвобождают стальные трубы из соединения. После завершения проверки снова свинчивают трубы нефтяного сортамента, затягивая резьбовые части ниппеля и муфты, и снова опускают их в скважину. Соприкасающиеся поверхности скольжения резьбовых частей 1а и 2а ниппеля 1 и муфты 2 и безрезьбовых частей 1b и 2b многократно подвергаются действию большой силы трения во время свинчивания и развинчивания труб нефтяного сортамента. Таким образом, если резьбовое соединения не обладает достаточным сопротивлением силам трения, то происходят недостаточное уплотнение (плохое сопротивление утечке) и заедание (неисправимое сильное заедание) в резьбовых частях 1a и 2а и особенно в безрезьбовых частях 1b и 2b в тех случаях, когда неоднократно осуществляют затягивание и ослабление соединения.
Следовательно, требуется, чтобы резьбовые соединения для стальных труб, предназначенные для свинчивание труб нефтяного сортамента, должны быть способны сопротивляться растягивающим силам в осевом направлении вследствие веса соединенных стальных труб, сопротивляться внутреннему и наружному давлению флюидов и сохранять хорошее сопротивление утечке и сопротивление заеданию в тех случаях, когда их неоднократно используют (подвергают неоднократному свинчиванию и развинчиванию), по меньшей мере, четыре раза для обсадных труб (труб большого диаметра) и, по меньшей мере, десять раз для насосно-компрессорных труб (труб небольшого диаметра). В последние годы существует тенденция в том, что глубина нефтяных скважин становится все больше и больше, при этом увеличивается частота использования труб нефтяного сортамента в суровых условиях, как, например, в полярных районах, так что предъявляются все более жесткие требования в отношении качества резьбовых соединений.
В прошлом, как предлагалось, например, в патентном документе Японии Н01-12995В, для обеспечения улучшенного сопротивления заеданию у контактной поверхности (включающей в себя контактную поверхность резьбовых частей 1а, 2а и контактную поверхность нерезьбовых частей 1b, 2b, предназначенную для контакта металлических поверхностей) ниппеля 1 или муфты 2 резьбового соединения эту поверхность подвергали поверхностной обработке, как, например, меднению или фосфатированию, а на обработанную поверхность для смазывания наносили компаундированную консистентную смазку (также называется густой смазкой), содержащую тяжелые металлы, как, например, свинец.
Однако в настоящее время в связи с борьбой с глобальным загрязнением окружающей среды, которое становится крайне важной проблемой, ограничивается использование густой смазки, содержащей свинец. Разработана и применяется густая смазка, которая не содержит тяжелые металлы, как, например, свинец, цинк и медь (называется зеленой густой смазкой), но она обладает недостаточными смазочными свойствами, и поэтому невозможно предотвратить возникновение заедания, особенно при изготовлении резьбового соединения из материала, который сравнительно подвержен заеданию, как, например, нержавеющей стали или высоколегированной стали.
Способами улучшения сопротивления утечке и сопротивления заеданию являются способ, при котором в покрывающем слое диспергируют порошок фторсодержащей смолы, способ, при котором смазочное защитное покрытие образуют напылением, и способ, при котором вместо компаундированной консистентной смазки используют твердое смазочное покрытие, но ни один из этих способов не обеспечивает достижения достаточных сопротивления утечке и сопротивления заеданию.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание резьбового соединения для стальных труб, имеющего достаточные сопротивление утечке и сопротивление заеданию при использовании с зеленой густой смазкой или в отсутствие любой густой смазки.
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению содержит ниппель и муфту, которые соответственно имеют контактную поверхность, включающую в себя контактную поверхность резьбовой части и контактную поверхность нерезьбовой части, предназначенную для контакта металлических поверхностей, при этом резьбовое соединение для стальных труб отличается тем, что оно имеет первый осажденный слой, образованный осаждением сплава Sn-Bi или осаждением сплава Sn-Bi-Cu на, по меньшей мере, части контактной поверхности, по меньшей мере, одного из ниппеля и муфты.
Висмут (Bi) известен как материал, имеющий низкое трение. Как обнаружено, при сплавлении висмута с оловом Sn висмут оказывает действие по улучшению низкотемпературной хрупкости олова, известной как «оловянная чума», и действие по значительному улучшению сопротивления заеданию в случае неоднократного свинчивания и развинчивания труб нефтяного сортамента, имеющих резьбовые соединения. Вследствие действия висмута по улучшению низкотемпературной хрупкости олова сплав Sn-Bi оказывает действие по предотвращению "оловянной чумы", так что олово больше не превращается в порошок вследствие α-превращения при низких температурах. Сплав Sn-Bi-Cu несколько тверже по сравнению со сплавом Sn-Bi, но добавление меди к сплаву Sn-Bi дает преимущества, состоящие в предотвращении «оловянной чумы» и увеличении износостойкости.
Содержание висмута в сплаве Sn-Bi и в сплаве Sn-Bi-Cu составляет предпочтительно 0,5-10 мас.% и предпочтительнее 1-5 мас.%. Содержание меди в сплаве Sn-Bi-Cu составляет предпочтительно 2-15 мас.% и предпочтительнее 5-10 мас.%. Остаток в этих сплавах обычно образуют олово и примеси, но также возможно, что эти сплавы дополнительно содержат цинк и/или свинец в количестве вплоть до 5 мас.% для каждого из них.
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению может иметь второй осажденный слой, образованный лужением, меднением или никелированием между первым осажденным слоем и контактной поверхностью резьбового соединения. В тех случаях, когда этот осажденный слой образован под первым осажденным слоем, заедание может быть предотвращено в достаточной степени, даже если первый осажденный слой, выполненный из сплава Sn-Bi или Sn-Bi-Cu и образован поверх второго осажденного слоя, является сравнительно тонким.
Сопротивление заеданию можно дополнительно увеличить, образуя, по меньшей мере, один слой смазочного покрытия на первом осажденном слое. Смазочное покрытие может быть единственным слоем вязкого жидкого или полутвердого смазочного покрытия, или оно может быть единственным слоем твердого смазочного покрытия. В другом варианте осуществления изобретения смазочное покрытие имеет нижний слой твердого смазочного покрытия и верхний слой вязкого жидкого или полутвердого смазочного покрытия.
Твердое смазочное покрытие предпочтительно содержит твердый смазочный порошок в связующем для увеличения смазочных свойств покрытия. Благодаря давлению, прилагаемому во время неоднократных свинчивания и развинчивания труб нефтяного сортамента, твердый смазочный порошок внедряется в первый осажденный слой из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu. Количество внедренного твердого смазочного порошка увеличивается пропорционально давлению и числу раз свинчивания и развинчивания. Следовательно, даже если давление становится высоким или резьбовое соединение неоднократно используется, сохраняется смазочный эффект благодаря внедренному твердому смазочному порошку и увеличивается эффект предотвращения заедания благодаря резьбовому соединению согласно настоящему изобретению.
Эффект улучшения сопротивления заеданию благодаря твердому смазочному порошку, внедренному в первый осажденный слой, может быть достигнут подобным же образом в тех случаях, когда смазочное покрытие является вязким жидким или полутвердым покрытием, содержащим твердый смазочный порошок.
В тех случаях, когда твердое смазочное покрытие, содержащее твердый смазочный порошок, образовано непосредственно на поверхности основного металла, из-за большой твердости основного металла твердый смазочный порошок во время свинчивания и развинчивания труб легко сдирается, не будучи внедренным в основной металл, так что невозможно достигнуть вышеописанного эффекта.
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению имеет улучшенное сопротивление утечке и сопротивление заеданию по сравнению с обычными изделиями, и оно обеспечивает достаточное сопротивление утечке и сопротивление заеданию без использования компаундированной консистентной смазки, которая создает много проблем с точки зрения охраны окружающей среды. Таким образом, можно эффективно предотвращать возникновение заедания как при применении зеленой густой смазки, так и в отсутствие любой густой смазки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 - схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 - схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 - схематический вид в разрезе контактной поверхности резьбового соединения для стальных труб согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 - фотоснимок, показывающий степень смачиваемости омедненой поверхности.
Фиг.8 - фотоснимок, показывающий степень смачивания поверхности с осажденным сплавом Sn-Bi.
Фиг.9 - схематический вид в разрезе ниппеля и муфты обычного резьбового соединения для стальных труб.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описано ниже в виде различных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи. В последующем объяснении «%» означает «мас.%», если не оговорено особо.
Подобно обычному резьбовому соединению для стальных труб, показанному на Фиг.9, резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению состоит из ниппеля, который на своей наружной периферийной поверхности имеет часть с наружной резьбой и безрезьбовую часть для контакта металлических поверхностей, и муфты, которая на своей внутренней периферийной поверхности имеет часть с внутренней резьбой и безрезьбовую часть для контакта металлических поверхностей. Поверхности резьбовых частей и безрезьбовых частей, имеющиеся на ниппеле и муфте, являются контактными поверхностями, которые соприкасаются друг с другом во время свинчивания труб нефтяного сортамента посредством затягивания резьбовых частей. По меньшей мере, часть контактной поверхности, по меньшей мере, одного из ниппеля и муфты имеет первый осажденный слой, образованный на ней осаждением сплава Sn-Bi или осаждением сплава Sn-Bi-Cu. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения между первым осажденным слоем и основным металлом образован второй осажденный слой, образованный лужением, меднением или никелированием и/или нанесением поверх первого осажденного слоя, по меньшей мере, одного слоя смазочного покрытия.
Обычно наружная резьба выполнена на обоих концах стальной трубы, а внутренняя резьба выполнена внутри соединительной муфты, которая является короткой деталью, отдельной от стальной трубы. Известны и применяются другие резьбовые соединения, которые называются соединительными замками и в которых наружная резьба образована на одном конце стальной трубы, а внутренняя резьба образована на ее другом конце, так что стальные трубы соединяют друг с другом без использования отдельной соединительной муфты. В принципе, возможно резьбовое соединение, в котором наружная резьба образована на наружной периферийной поверхности отдельной соединительной детали, в то время как внутренняя резьба образована на внутренней периферийной поверхности обоих концов стальной трубы. Настоящее изобретение может быть применено к любому из этих типов резьбовых соединений.
Технический результат настоящего изобретения может быть достигнут в тех случаях, когда на контактной поверхности только одного из ниппеля и муфты образованы первый осажденный слой, согласно настоящему изобретению, и необязательно второй осажденный слой и/или смазочное покрытие. Например, при обычном резьбовом соединении, имеющем ниппель на обоих концах стальной трубы, обработка согласно настоящему изобретению может быть проведена только на контактной поверхности ниппеля, которую легче обрабатывать. В этом случае контактная поверхность оставшегося элемента - муфты в этом случае - может быть необработанной (сохраняется как после механической обработки), или она может быть подвергнута соответствующему обычному смазыванию.
В число неограничительных примеров материалов, которые могут быть использованы для образования резьбового соединения для стальных труб согласно настоящему изобретению и соответственно стальной трубы и отдельной соединительной муфты, входят углеродистая сталь, нержавеющая сталь и высоколегированная сталь. До осуществления осаждения согласно настоящему изобретению контактная поверхность резьбового соединения может быть подвергнута пескоструйной, дробеструйной или иной обработке для придания ей шероховатости.
На Фиг.1-6 схематически показана в разрезе контактная поверхность ниппеля или муфты резьбового соединения согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, в которых на контактной поверхности имеется, по меньшей мере, один слой, образованный поверхностной обработкой и включающий в себя первый осажденный слой.
В резьбовом соединении, показанном на Фиг.1, контактная поверхность основного металла 5 ниппеля или муфты имеет только первый осажденный слой 6, образованный на ней осаждением сплава Sn-Bi или осаждением сплава Sn-Bi-Cu. Первый осажденный слой может быть образован как осаждением сплава Sn-Bi, так и осаждением сплава Sn-Bi-Cu.
Толщина первого осажденного слоя 6 обычно составляет предпочтительно 3-30 мкм и предпочтительнее 5-25 мкм. В тех случаях, когда под первым осажденным слоем не образован второй осажденный слой, который описывается далее, первый слой предпочтительно имеет большее значение толщины в вышеупомянутых пределах толщины, например от 10 до 30 мкм. С другой стороны, в случае образования второго осажденного слоя и/или твердого смазочного покрытия, которое также описывается далее, толщина первого осажденного слоя может составлять до 15 мкм или менее. В этом случае толщина первого осажденного слоя составляет предпочтительно 3-20 мкм и предпочтительнее 5-15 мкм.
Осаждение сплава Sn-Bi можно осуществлять в соответствии с электролитическим лужением (электроосаждением олова), используя, например, щелочной или кислый электролит для нанесения гальванических покрытий. В тех случаях, когда соединение висмута добавляют к соединению олова в электролите для нанесения гальванических покрытий, так чтобы осуществлять осаждение сплава Sn-Bi, при котором висмут осаждается совместно с оловом, твердость получаемого гальванического покрытия значительно увеличивается по сравнению с твердостью гальванического покрытия при осаждении чистого олова (твердость по Виккерсу: 8-10). Например, гальваническое покрытие из сплава Sn-Bi, содержащего 0,5%-10% висмута, имеет твердость, которая в 2-3 раза превышает твердость гальванического покрытия при осаждении чистого олова, и, следовательно, покрытие имеет увеличенную износостойкость. В то же самое время вследствие совместного осаждения висмута улучшается низкотемпературная хрупкость («оловянная чума») оловянного гальванического покрытия.
Аналогично этому осаждение сплава Sn-Bi-Cu можно осуществлять способом электроосаждения, используя электролит для нанесения гальванических покрытий, содержащий соединение висмута и соединение меди в дополнение к соединению олова. Электроосаждение сплава Sn-Bi-Cu обеспечивает вышеописанные действия висмута, и оно дает более высокую твердость гальванического покрытия, так что его износостойкость становится еще больше.
В качестве примера щелочной электролит для электроосаждения сплава Sn-Bi содержит 100-110 г/л станната калия, 35-60 г/л гидроксида калия и 0,5-1,5 г/л металлического висмута в соединении висмута. Типичные условия электросаждения при использовании этого электролита для нанесения гальванических покрытий: температура ванны 75-85°С и плотность тока 0,5-3 А/дм2.
В качестве примера кислый электролит для электроосаждения сплава Sn-Bi содержит 130 г/л органической кислоты, 10 г/л металлического олова в соединении олова и 3 г/л металлического висмута в соединении висмута. Типичные условия электроосаждения при использовании этого электролита для нанесения гальванических покрытий: температура ванны 30-40°С и плотность тока 0,3-3,5 А/дм2.
В качестве примера кислый электролит для электроосаждения сплава Sn-Bi-Cu содержит 130-180 г/л органической кислоты, 15 г/л металлического олова в соединении олова, 1,5 г/л металлического висмута в соединении висмута и 1 г/л металлической меди в соединении меди. Типичные условия электроосаждения при использовании этого электролита для нанесения гальванических покрытий: температура ванны 15-30°С и плотность тока 0,5-3,5 А/дм2.
Для каждого из этих электролитов для нанесения гальванических покрытий источник каждого металла может быть выбран из подходящих соединений металлов, которые растворимы в электролите.
В резьбовом соединении для стальных труб, показанном на Фиг.2, второй осажденный слой 7, полученный лужением, меднением или никелированием, образован как нижележащий слой на поверхности основного металла 5, а первый осажденный слой 6, полученный осаждением сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu, образован поверх второго осажденного слоя 7. Второй осажденный слой может быть также образован посредством двух или большего числа осаждений (например, слой, образованный никелированием и меднением).
Толщина второго осажденного слоя 7 составляет предпочтительно 1-15 мкм и предпочтительнее 2-10 мкм в случае лужения или предпочтительно 1-15 мкм и предпочтительнее 1-10 мкм в случае никелирования.
Лужение можно осуществлять, используя, например, электролит для нанесения гальванических покрытий, который содержит 200 г/л фторобората олова, 125 г/л фторборной кислоты, 25 г/л борной кислоты, 2 г/л желатина и 1 г/л β-нафтола, и проводя электроосаждение при температуре ванны 20-25°С и плотности тока 1-5 А/дм2. Лужение обычно осуществляют в такой фтороборатной ванне, но с учетом легкости обработки сточных вод может быть также использован имеющийся на рынке электролит для лужения на основе органического сульфоната.
Меднение и никелирование можно осуществлять обычным способом электроосаждения никеля или меди. В состав ванн для нанесения гальванических покрытий, пригодных для меднения, входят ванна с цианидом меди, ванна с сульфатом меди и ванна с пирофосфатом меди. Наиболее предпочтительными являются ванна с цианидом меди и ванна с сульфатом меди. В состав ванн для нанесения гальванических покрытий, пригодных для никелирования, входят ванна Уоттса для никелирования, ванна с хлоридом никеля, ванна с сульфаматом никеля и ванна с хлоридом аммония (низкотемпературная ванна для никелирования). Из них предпочтительными являются ванна Уоттса для никелирования и ванна с хлоридом никеля.
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1, первый слой 6 из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu образован на поверхности контакта резьбового соединения. В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, вначале образован второй осажденный слой 7 посредством осаждения олова, меди или никеля на контактной поверхности, а затем образован первый осажденный слой 6.
В тех случаях, когда основным металлом 5 является углеродистая сталь, возможно образование первого осажденного слоя 6 (Фиг.1) или второго осажденного слоя 7 (Фиг.2) с хорошим сцеплением, даже если он образован непосредственно на поверхности стали.
С другой стороны, в тех случаях, когда основным металлом 5 является нержавеющая сталь или высоколегированная сталь, то если первый осажденный слой, нанесенный осаждением Sn-Bi или осаждением Sn-Bi-Cu, образован непосредственно на поверхности стали, получаемое в результате гальваническое покрытие имеет плохое сцепление на этой поверхности и склонно легко отслаиваться. Поэтому предпочитается предварительное осаждение тонкого слоя меди или никеля на контактной поверхности резьбового соединения до осаждения сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu для образования первого осажденного слоя. В этом случае, предварительно осаждая тонкий слой металла, можно на контактной поверхности образовывать первый осажденный слой с хорошим сцеплением.
Аналогично этому в тех случаях, когда на контактной поверхности вначале образуют второй осажденный слой 7, как это показано на Фиг.2, то если основным металлом 5 является нержавеющая сталь или высоколегированная сталь, возможно предварительное осаждение тонкого слоя никеля или меди. Однако в тех случаях, когда вторым осажденным слоем является тонкий осажденный слой никеля или меди, например, толщиной порядка 1-3 мкм, возможно образование второго осажденного слоя с хорошим сцеплением на поверхности нержавеющей стали или высоколегированной стали даже при отсутствии предварительного покрытия тонким слоем металла.
Осаждение тонкого слоя никеля или меди можно осуществлять обычным образом. В общем, осаждение тонкого слоя никеля осуществляют, используя ванну с хлоридом никеля, в то время как осаждение тонкого слоя меди осуществляют, используя ванну с цианидом меди. В любом случае время осаждения является достаточно коротким для образования гальванического покрытия толщиной менее 1 мкм и предпочтительно самое большее 0,5 мкм.
В резьбовом соединении для стальных труб, показанном на Фиг.3, на поверхность первого осажденного слоя 6 из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu нанесено смазочное покрытие 8. На Фиг.3 и Фиг.4 не показана структура под первым осажденным слоем 6, но она может быть такой же самой, как и на любой из Фиг.1 и Фиг.2.
Примерами смазочных покрытий является твердое смазочное покрытие, как, например, описанное в патентах Японии № 2001-65751 А, 2002-221288 А, 2002-327875 А или 2002-348587 А (покрытие горячей сушки, содержащее твердый смазочный порошок, диспергированный в связующем), или вязкое жидкое или полутвердое покрытие, как, например, описанное в патентах Японии №12002-173692 А или 2004-53013 А (покрытие, содержащее различные смазочные компоненты в основе масла).
Примерами предпочтительного твердого смазочного порошка, который присутствует в твердом смазочном покрытии, входят, являются, но не ограничиваются ими, графит, MoS2 (дисульфид молибдена), WS2 (дисульфид вольфрама), BN (нитрид бора), ПТФЭ (политетрафторэтилен), CF (фторид углерода) и CaCO3 (карбонат кальция). Из них более предпочтительными являются графит и MoS2. Они имеют слоистую кристаллическую структуру с высокой прочностью межплоскостной связи и низкой прочностью межплоскостной связи, и они склонны к возникновению расслаивания плоскостей решетки кристалла, что обеспечивает эффект скольжения, и, таким образом, пригодны для улучшения сопротивления заеданию.
В качестве связующего, которое используется для образования твердого смазочного покрытия, могут быть использованы различные материалы, способные образовывать органическую или неорганическую пленку. Примерами материалов, способных образовывать органическую пленку, являются органические смолы, имеющие хорошую теплостойкость, как, например, эпоксидные смолы, полиимидные смолы и полиимидамидные смолы. Примерами материалов, способных образовывать неорганическую пленку, являются органические или неорганические вещества, как, например, золь кремнекислоты, алкоксисиланы и алкоксиды титана, которые могут образовывать металлооксидное покрытие.
Твердое смазочное покрытие можно образовывать, смешивая твердый смазочный порошок с раствором связующего для образования покрывающей композиции, нанося эту композицию на контактную поверхность резьбового соединения для стальных труб и высушивая покрытие предпочтительно его нагреванием для отверждения покрытия. Температура нагревания зависит от вида связующего, а в тех случаях, когда связующим является эпоксидная смола, эта температура предпочтительно составляет около 150-250°С.
Предпочтительное твердое смазочное покрытие имеет толщину 5-30 мкм и содержит 10-50% твердого смазочного порошка. Осажденный слой из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu, который соприкасается с твердым смазочным покрытием, обладает хорошим сродством к жидкостям, так что твердое смазочное покрытие, образованное на этом осажденном слое, имеет хорошее сцепление.
Вязкое жидкое или полутвердое смазочное покрытие предпочтительно не содержит значительного количества порошка тяжелых металлов, как, например, свинца, цинка и меди, которые оказывают вредное влияние на окружающую среду и на здоровье людей. Такое смазочное покрытие содержит значительное количество одного или большего числа смазочных компонентов (как, например, восков, металлических мыл и различных солей основных металлов и органических кислот, включая сульфонат, фенолят, салицилат и карбоксилат кальция или бария) в основе масла (как, например, минеральном масле, высшем эфире жирной кислоты или консистентной смазке). Форма смазочного покрытия, т.е. является ли оно вязким жидким или полутвердым, зависит от вязкости основы масла и количества смазочных компонентов. Предпочтительная толщина вязкого жидкого или полутвердого покрытия составляет 10-200 мкм.
На Фиг.4 показан вариант осуществления изобретения, в котором смазочное покрытие состоит из нижнего слоя в виде твердого смазочного покрытия 8а и верхнего слоя в виде вязкого жидкого или полутвердого смазочного покрытия 8b. Нижнее твердое смазочное покрытие и верхнее вязкое жидкое или полутвердое смазочное покрытие, составляющие два слоя соответственно 8а и 8b, могут быть такими же самыми, как и вышеописанные покрытия.
На Фиг.5 показан вариант осуществления изобретения, в котором первый осажденный слой 6 из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu образован на поверхности основного металла 5, а твердое смазочное покрытие 8а1, содержащее MoS2, образовано поверх первого осажденного слоя 6. Твердое смазочное покрытие 8а1, содержащее MoS2, может быть образовано так, как описано выше, посредством нанесения кроющей композиции, содержащей порошок MoS2, диспергированный в связующем, как, например, в эпоксидной смоле, с последующей горячей сушкой. Толщина покрытия предпочтительно составляет около 3-30 мкм для первого осажденного слоя 6 и около 5-30 мкм для твердого смазочного покрытия при общей толщине двух слоев около 10-45 мкм.
На Фиг.6 показан вариант осуществления изобретения, который является одинаковым с вариантом, показанным на Фиг.5, за исключением того, что твердым смазочным покрытием является графитосодержащее твердое смазочное покрытие 8а2.
В тех случаях, когда твердое смазочное покрытие образуют поверх первого осажденного слоя 6 из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu, как это показано на Фиг.5 и Фиг.6, то может предпочтительным образование непоказанного тонкого медного осажденного слоя с толщиной 1-3 мкм в качестве нижнего второго осажденного слоя. В тех случаях, когда такой тонкий медный осажденный слой образуют под первым осажденным слоем 6, то из-за тепла во время горячей сушки твердого смазочного покрытия 8а1 и 8а2 (которую обычно осуществляют при 150-250°) образуется слой из интерметаллического соединения Sn-Bi-Cu с плавным градиентом концентрации между первым осажденным слоем 6 и основным металлом 5, посредством чего увеличивается прочность сцепления первого осажденного слоя 6.
Один или несколько из первого и второго осажденных слоев и тонкого осажденного слоя металла могут быть образованы неэлектролитическим осаждением или осаждением из паровой фазы вместо электроосаждения. Однако предпочитается электроосаждение из-за его эффективности и экономичности.
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению предпочтительно используют для свинчивания труб нефтяного сортамента без нанесения густой смази или после нанесения зеленой густой смазки. В частности, резьбовое соединение, имеющее твердое смазочное покрытие 8а, 8а1 или 8а2, образованное на первом осажденном слое 6 из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu, как это показано на Фиг.4-6, имеет очень хорошие смазочные свойства из-за способности твердого смазочного порошка в смазочном покрытии быть внедренным под давлением в первый осажденный слой, который является сравнительно мягким, и это обеспечивает хорошее сопротивление заеданию, даже если резьбовое соединение используется для свинчивания труб нефтяного сортамента без нанесения густой смазки. В тех случаях, когда вязкое жидкое или полутвердое смазочное покрытие образовано поверх твердого смазочного покрытия, еще более увеличивается сопротивление заеданию. Аналогично этому в тех случаях, когда только вязкое жидкое или полутвердое смазочное покрытие образовано поверх первого осажденного слоя, то если он содержит твердое смазочное вещество (например, карбонат щелочноземельного металла, который содержится в соли основного металла и органической кислоты), может быть достигнуто вышеописанное улучшение в смазывании и сопротивлении заеданию вследствие способности твердых частиц быть заделанными в первый осажденный слой.
В случае резьбового соединения согласно настоящему изобретению, которое показано на Фиг.1 или Фиг.2 и в котором не образовано никакого смазочного покрытия, так что обнажен первый осажденный слой из сплава Sn-Bi или Sn-Bi-Cu, резьбовое соединение для свинчивания труб нефтяного сортамента обычно предпочитается использовать после нанесения зеленой густой смазки.
Густая смазка - это, в общем, полутвердая или твердая композиция, содержащая один или большее число загустителей и, по выбору, другие твердые частицы, диспергированные в смазочном масле. В число полезных загустителей входят металлические мыла, комплексные соединения кальция, производные мочевины, соли металлов и производные бентонита. Вид густой смазки, который по существу свободен от порошка тяжелых металлов и хорошо поддается биохимическому разложению, называется зеленой густой смазкой. Хотя не существует никакого конкретного определения зеленой густой смазки, в качестве приближенного стандарта зеленая густая смазка должна иметь величину биохимического потребления кислорода (БПК), равную, по меньшей мере, 60%. Зеленая густая смазка в отношении способности к биохимическому разложению отличима от полутвердого смазочного покрытия, образованного поверх первого осажденного слоя согласно настоящему изобретению. Консистенцию густой смазки измеряют по пенетрации таким же самым образом, как и консистенцию консистентной смазки, в соответствии с японским промышленным стандартом К 2220 5,3. Вязкое жидкое смазочное покрытие имеет намного меньшую консистенцию, которая может быть измерена стандартным вискозиметром, как, например, вискозиметром Брукфилда. Обычно его вязкость составляет самое большее 10000 сантистокс при 40°С.
Примеры
Последующие примеры предназначены показать влияния настоящего изобретения, но никоим образом не предназначены ограничивать настоящее изобретение. В примерах контактная поверхность ниппеля, включающая в себя контактную поверхность резьбовой части и контактную поверхность контакта нерезьбовой части, предназначенную для контакта металлических поверхностей, будет называться «поверхностью ниппеля», а контактная поверхность муфты, включающая в себя контактную поверхность резьбовой части и контактную поверхность нерезьбовой части, предназначенную для контакта металлических поверхностей, будет называться «поверхностью муфты».
Резьбовые соединения для стальных труб, которые использовали в этих примерах, состояли из ниппеля, образованного на каждом конце бесшовной стальной трубы для испытания, которая имела наружный диаметр 244,5 мм, толщину стенки 13,84 мм и длину 1200 мм, и муфты, образованной внутри соединительной детали.
Каждый ниппель на своей наружной периферийной поверхности имел часть с наружной резьбой и безрезьбовую часть для контакта металлических поверхностей, а муфта на своей внутренней периферийной поверхности имела часть с внутренней резьбой и безрезьбовую часть для контакта металлических поверхностей. Стальная труба и соединительная деталь были изготовлены из 13 Cr стали, которая является высоколегированной сталью, содержащей 13% Cr, 0,1% Ni и 0,04% Мо.
Как показано в Таблице 1 и Таблице 2, на поверхности муфты каждой соединительной детали был образован, по меньшей мере, один осажденный слой и, по выбору, одно смазочное покрытие поверх осажденного слоя. В Таблице 1 показаны рабочие примеры согласно настоящему изобретению, в которых не было образовано никакого смазочного покрытия в Примерах 1-8 и было образовано одно или два смазочных покрытия в Примерах 9-13. В Таблице 2 показаны Сравнительные Примеры, в которых самый верхний осажденный слой не был осажденным слоем из сплава Sn-Bi или Sn-Bi-Cu.
Осажденный слой из сплава Sn-Bi, осажденный слой из сплава Sn-Bi-Cu, показанные в Таблице 1, образовывали способом электроосаждения, используя вышеописанный кислый электролит для нанесения гальванических покрытий (используя соответствующие источники металла в виде соли органической кислоты). Осажденные слои из этих сплавов содержали около 3% висмута в осажденном слое из сплава Sn-Bi и около 3% висмута и около 7,5% меди в осажденном слое из сплава Sn-Bi-Cu. Осажденный слой из сплава Sn-Bi, использованный в некоторых Сравнительных Примерах, был образован электроосаждением с использованием щелочного электролита для нанесения гальванических покрытий. Содержание меди в осажденном слое из сплава Sn-Cu было около 50%.
В тех случаях, когда второй осажденный слой образовывали до нанесения первого слоя, его образовывали электроосаждением. В числе использованных ванн для нанесения гальванических покрытий были ванна с сульфонатом для лужения, ванна с хлоридом никеля для никелирования и ванна с цианидом меди для меднения.
Хотя это и не показано в Таблице 1 и Таблице 2, каждая поверхность втулки, которая была обезжирена, была предварительно покрыта тонким слоем никеля толщиной 0,5 мкм с использованием ванны с хлоридом никеля для электролитического осаждения тонкого слоя металла до образования самого нижнего осажденного слоя, указанного в таблицах, с учетом того, что основным металлом была высоколегированная сталь. Однако, в Примерах 3 и 4 и Сравнительных Примерах 1-3 и 5-7, в которых самым нижним осажденным слоем был никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм, не осуществлялось предварительное электролитическое осаждение тонкого слоя никеля.
Смазочными покрытиями, использованными в примерах, были твердые смазочные покрытия и вязкие жидкие смазочные покрытия. Твердое смазочное покрытие содержало смазочный порошок (графит или дисульфид молибдена) в эпоксидной смоле и было образовано нанесением кроющей композиции с последующей горячей сушкой при температуре около 200°С. Содержание смазочного порошка в твердых смазочных покрытиях было 30% в случае графита и 40% в случае дисульфида молибдена (MoS2).
Вязкое жидкое смазочное покрытие содержало воск и основной сульфонат кальция в качестве смазочных компонентов в минеральном масле в качестве основы масла.
Резьбовые соединения с поверхностями муфты, обработанными способом, показанным в Таблицах 1 и 2, подвергали следующему испытанию на заедание.
Испытание на заедание
Ниппель на конце стальной трубы вставляли в муфту соединительной детали. Поверхность ниппеля подвергали струйно-абразивной обработке стеклянными шариками. В некоторых примерах на поверхность муфты предварительно наносили имеющуюся на рынке зеленую густую смазку. Для имитирования свинчивания и развинчивания труб нефтяного сортамента резьбовые части ниппеля и втулки вводили в зацепление и затягивали с крутящим моментом 49351,8 Н-м (36400 фут-фунт) при комнатной температуре, пока не соприкасались друг с другом нерезьбовые части ниппеля и муфты, предназначенные для контакта металлических поверхностей, а затем их разъединяли для отвинчивания стальной трубы от соединительной детали. Затем визуально рассматривали поверхность втулки для определения того, происходило ли заедание или нет.
Эту процедуру свинчивания и развинчивания проводили вплоть до десяти раз и сопротивление заеданию оценивали по циклу свинчивания и развинчивания не раньше появления заедания (неисправимого сильного заедания). В тех случаях, когда наблюдалось незначительное исправимое заедание, испытание продолжали после исправления резьбового соединения. Результаты показаны в Таблицах 1 и 2.
Пример 1
Поверхность муфты имела осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 15 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять 8 раз без появления заедания. Когда ту же самую поверхность муфты подвергали испытанию на заедание без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять 6 раз без появления заедания.
Пример 2
Поверхность муфты имела нижний оловянный осажденный слой толщиной 5 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 12 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания. Когда ту же самую поверхность муфты подвергали испытанию на заедание без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять восемь раз без появления заедания.
Пример 3
Поверхность муфты имела нижний медный осажденный слой толщиной 3 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 14 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 4
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 25 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 5
Поверхность муфты имела осажденный слой из сплава Sn-Bi-Cu толщиной 12 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять восемь раз без появления заедания.
Пример 6
Поверхность муфты имела нижний оловянный осажденный слой толщиной 10 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi-Cu толщиной 10 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 7
Поверхность муфты имела нижний медный осажденный слой толщиной 5 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi-Cu толщиной 15 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 8
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 5 мкм и верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi-Cu толщиной 15 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 9
Поверхность муфты имела осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 5 мкм и графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 30 мкм, образованной на осажденном слое. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивания можно было осуществлять восемь раз без появления заедания.
Пример 10
Поверхность муфты имела нижний оловянный осажденный слой толщиной 3 мкм, верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 11 мкм и графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 30 мкм, образованное поверх осажденных слоев. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять восемь раз без появления заедания.
Пример 11
Поверхность муфты имела осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 10 мкм, нижнее графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 10 мкм и верхнее вязкое жидкое смазочное покрытие толщиной 200 мкм, образованное на осажденном слое. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 12
Поверхность муфты имела нижний оловянный осажденный слой толщиной 5 мкм, верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 10 мкм и нижнее графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 10 мкм и верхнее вязкое жидкое смазочное покрытие толщиной 200 мкм, образованное на осажденных слоях. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было осуществлять десять раз без появления заедания.
Пример 13
Поверхность муфты имела самый нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм, промежуточный медный осажденный слой толщиной 5 мкм, верхний осажденный слой из сплава Sn-Bi толщиной 10 мкм, нижнее графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 10 мкм и верхнее вязкое жидкое смазочное покрытие толщиной 200 мкм. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, свинчивание и развинчивание можно было проводить десять раз без появления заедания.
Сравнительный Пример 1
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 10 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, заедание происходило на четвертом цикле свинчивания и развинчивания. Когда ту же самую поверхность муфты подвергали испытанию на заедание без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на первом цикле.
Сравнительный Пример 2
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 10 мкм, а также графитосодержащащее твердое смазочное покрытие толщиной 25 мкм, образованное поверх осажденных слоев. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность втулки, заедание происходило на четвертом цикле свинчивания и развинчивания. Когда ту же самую поверхность муфты подвергали испытанию на заедание без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на первом цикле.
Сравнительный Пример 3
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 10 мкм, а также MoS2-содержащее твердое смазочное покрытие толщиной 25 мкм, образованное поверх осажденных слоев. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленого смазочного покрытия на поверхность муфты, заедание происходило на четвертом цикле свинчивания и развинчивания.
Сравнительный Пример 4
Поверхность втулки имела осажденный слой из сплава Sn-Cu толщиной 10 мкм. При испытании на заедание, которое проводили после нанесения зеленой густой смазки на поверхность муфты, заедание происходило на шестом цикле свинчивания и развинчивания.
Сравнительный Пример 5
Поверхность втулки имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 8 мкм. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на втором цикле свинчивания и развинчивания.
Сравнительный Пример 6
Поверхность втулки имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 8 мкм, а также графитосодержащее твердое смазочной покрытие толщиной 25 мкм, образованное поверх осажденных слоев. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на втором цикле свинчивания и развинчивания.
Сравнительный Пример 7
Поверхность муфты имела нижний никелевый осажденный слой толщиной 1 мкм и верхний медный осажденный слой толщиной 9 мкм, а также MoS2-содержащее твердое смазочное покрытие толщиной 25 мкм. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на втором цикле свинчивания и развинчивания.
Сравнительный Пример 8
Поверхность муфты имела осажденный слой из сплава Sn-Cu толщиной 12 мкм и графитосодержащее твердое смазочное покрытие толщиной 25 мкм, образованное поверх осажденного слоя. При испытании на заедание, которое проводили без нанесения зеленой густой смазки, заедание происходило на третьем цикле свинчивания и развинчивания.
Из результатов в вышеописанных Примерах и Сравнительных Примерах можно видеть, что резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению явно было более эффективным в устранении заедания, чем резьбовые соединения в сравнительных примерах.
Различие в сродстве
Исследовали различие в сродстве (смачиваемости) между медным гальваническим покрытием и гальваническим покрытием из сплава Sn-Bi. На Фиг.7 и 8 приведены фотоснимки, которые показывают состояние распределения жидкости (воды) в тех случаях, когда одна капля жидкости была помещена на поверхность медного гальванического покрытия (Фиг.7) и гальванического покрытия из сплава Sn-Bi (Фиг.8), образованных в этих примерах. Степень распределения показывает смачиваемость поверхностей, т.е. их сродство к жидкости. Жидкость распределяется больше на гальваническом покрытии из сплава Sn-Bi, чем на медном гальваническом покрытии, что показывает, что гальваническое покрытие из сплава Sn-Bi имело большее сродство к жидкости.
Различие в сродстве фактически отражалось в результатах испытания на заедание. В Примерах 9-12, в которых применялось графитосодержащее твердое смазочное покрытие, образованное поверх гальванического покрытия из сплава Sn-Bi, имелось намного лучшее сопротивление заеданию, чем в Сравнительных Примерах 2 и 6, в которых имелось то же самое твердое смазочное покрытие, образованное поверх медного гальванического покрытия. Одна из причин этого различия в сопротивлении заеданию, по-видимому, заключается в том, что сродство и, следовательно, адгезия твердого смазочного покрытия к осажденному слою была выше при гальваническом покрытии из сплава Sn-Bi, чем при медном гальваническом покрытии.
Реферат
Изобретение относится к резьбовым соединениям для стальных труб. Резьбовое соединение содержит ниппель и муфту, которые соответственно имеют резьбовую часть и нерезьбовую часть для контакта металлических поверхностей. Резьбовое соединение имеет первый осажденный слой из сплава Sn-Bi или сплава Sn-Bi-Cu, образованный на контактной поверхности, по меньшей мере, одного из ниппеля и муфты. Резьбовое соединение может иметь второй осажденный слой, образованный лужением, меднением или никелированием с нижней стороны первого осажденного слоя, и, по меньшей мере, один слой смазочного покрытия и особенно твердого смазочного покрытия с верхней стороны первого осажденного слоя. Изобретение обеспечивает достаточные сопротивление утечке и сопротивление заеданию, когда используется для свинчивания труб нефтяного сортамента. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.
