NO344287B1 - Gjenget skjøt med høye radielle laster og ulikt behandlede overflater og fremgangsmåter for sammensetting av skjøten - Google Patents

Description

GJENGET SKJØT MED HØYE RADIELLE LASTER OG ULIKT BEHANDLEDE OVERFLATER, OG FREMGANGSMÅTER FOR SAMMENSETTING AV SKJØTEN

Den foreliggende oppfinnelse vedrører gjengede skjøter, nærmere bestemt for å forbinde rør med forutbestemt lengde for å lage strenger som brukes innen hydrokarbonindustrien og særskilt for bruk innen feltet OCTG (Oil Country Tubular Goods) og rørledninger innen anvendelser offshore.

Leting etter olje eller mer generelt hydrokarboner er blitt mer krevende når det gjelder maskinutstyr og innretninger i de senere år på grunn av at olje- og gassfelter eller -reservoarer befinner seg dypere eller på vanskelig tilgjengelige steder. Prospektering for og utnyttelse av hydrokarbonfelter som ligger under dypt hav, er blitt vanlig og gjør det nødvendig med maskinutstyr som er mer bestandig mot miljømessige utfordringer, så som utmatting og korrosjon, som tidligere var av mindre betydning.

For utvinning av olje eller gass fra felter som ligger under dypt hav, brukes havbaserte plattformer som er forankret til havbunnen, og det brukes rørstrenger som tradisjonelt blir kalt stigerør.

Disse strenger er neddykket i havet og utsettes for bevegelser som forårsakes av havstrømmer og overflatebølgebevegelser. På grunn av disse kontinuerlige og periodiske bevegelser i sjøen, forblir ikke strengene ubevegelige, men de utsettes for små siderettede bevegelser som kan frembringe deformasjoner i visse deler av skjøten og må motstå laster som induserer utmattingsbelastninger i rørene, og spesielt i gjengeskjøtsonene. Disse belastninger har en tendens til å forårsake brudd i rørene i nærheten av gjengene og det er et behov for å forbedre utmattingsmotstanden til de gjengede skjøter.

For gjengekoplinger for olje- og gassindustrien blir utmattingsytelse og utforming for tiden tilpasset og ekstrapolert fra andre tekniske fagområder. Det finnes ikke noen spesifikke standarder eller utformings-/dimensjoneringsspesifikasjoner ennå. Grunnleggende modeller kan finnes i British Standard/Code of practice BS7608 for Fatigue design and assessment of steel structures, og DNV klasse B S-N-kurve. Det er allerede foreslått løsninger for å øke levetiden før utmatting for de gjengede skjøter.

Dokument EP1726861 fremlegger en fremgangsmåte for fremstilling av en gjenget forbindelse for et oljebrønnrør hvor sandblåsing med mikrokuler, heretter kalt kuleblåsing, anvendes for å forbedre dens utmattingsbruddstyrke.

Dokumentene EP1705415 og EP1296088 beskriver trekk ved rørlegemer for å tilveiebringe sammenskrudde rørlengder. Rørlegemene har koniske gjengepartier.

Den beskrevne fremgangsmåte øker utmattingslevetiden for å oppnå formålet ved å kuleblåse den gjengede skjøt under spesifikke forhold:

Sprøytetrykk: 0,4Mpa. Sprøyteavstand 100 til 150 mm. Sprøytetid: cirka 1 sek./cm<2>. Blåsematerial: karbonstål med 0,8 til 1% C (HRC60 eller mer). Partikkeld ia meter velges som vist i tabell 4 i dette dokument. Det foreslås også en kombinasjon med settherdings- og nitrérherdingsbehandlinger som ytterligere kan forbedre utmattingsbruddstyrke.

Det er fremdeles rom for forbedringer av gjengede skjøters utmattingslevetid.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en gjenget skjøt som vil overvinne de foran nevnte ulemper.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en skjøt med økt utmattingslevetid.

De ovenfor nevnte formål oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved hjelp av en gjenget skjøt som omfatter et hanngjenget rør, omtalt som hanndel, og et hunngjenget rør, omtalt som hunndel, hvor hanndelen er forsynt med en første anleggsskulder, hunndelen er forsynt med en andre anleggsskulder, og hvor nevnte første og andre anleggsskuldrer har komplementær form, hvor hanndelen er tilpasset for å settes sammen med hunndelen, hvori en interferens tilveiebringes mellom gjengerøtter i enten hanndelen eller hunndelen og gjengekammer i den andre av hanndelen eller hunndelen målt i henhold til de normale dimensjoner av hanndelen og hunndelen, og hvor verdien av interferensen utgjøres av mellom 1% og 5% av rørveggens gjennomsnittstykkelse, hvor det tilveiebringes en radius R mellom rot og flanke hvilken radius har en verdi av rundt VA av gjengehøyden og hvor skjøten er gitt en overflatebehandling som omfatter kuleblåsing (shot peening) utført på begynnelsen og slutten av hanndelens gjengesone.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for sammensetting av den gjengede skjøt ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Ifølge oppfinnelsen som angitt i kravene, oppnås formålet å forbedre den gjengede skjøts utmattingsmotstand ved en kombinert virkning av flere trekk som fremtrer ved slutten av sammensettingsoperasjonen som er hensiktsmessig utformet:

a) tilveiebringelse av høye radiale belastninger, de såkalte ringbelastninger eller "hoop loads", i funksjon av rot-topp-inngrep for å forbedre utmattingsmotstanden;

b) tilveiebringelse av høye skulderlaster for å forbedre utmattingsmotstand;

c) tilveiebringelse av forstørret flankeradius R hvilket senker spenningskonsentrasjon i gjengerøtter;

d) i tillegg en passende overflatebehandling av hanndelens og hunndelens overflater som hovedsakelig omfater en kuleblåsingsbehandling med stålkuler som ytterligere øker skjøtens utmattingsmotstand.

Den gjengede skjøt ifølge denne oppfinnelse kan settes sammen ved hjelp av kjente gjengesmøremidler i væskeform eller fast form, dopfrie (dope-free) systemer, etc.

Takket være de nevnte trekk ved skjøten ifølge oppfinnelsen, overføres aksialstrekklaster gjennom den vanlige flanke-mot-flanke-kontakten siden den aksielle interferens velges å være innenfor normale standard verd ier som brukes innen industrien. På den annen side når radiallaster i det gjengede parti høyere verdier enn normalt, og dette sikrer en forbedret utmattingsmotstand og forlenger skjøtens driftslevetid.

Disse radielle laster på gjengene avhenger hovedsakelig av radiell geometrisk interferens hvilken oppnås ved å styre de forskjellige diametre og toleranser som utgjør en gjenget rørende.

Verdien på denne interferens målt i henhold til hanndelens og hunndelens nominelle dimensjoner, det vil si før de to elementer er satt sammen, er ikke mindre enn 1% av den gjennomsnittlige tykkelse av skjøten eller forbindelsen, det vil si summen av de gjennomsnittlige tykkelser av hann- og hunndelen i tilfelle av den letteste vekt som dekkes av det konstruktive rørområde, og ikke høyere enn 5% av skjøtens gjennomsnittlig tykkelse, det vil si summen av de gjennomsnittlige tykkelser av hann- og hunndelen i tilfelle av den tyngste vekt som dekkes av det konstruktive rørområde, den såkalte design pipe range.

Disse interferensverdier sikrer at spenningsnivået i skjøten holdes under kontroll og unngår på en slik måte høye spenningskonsentrasjonsfaktorer. I den følgende tabell vises eksempler på passende verdier for interferens i det tilfelle at de to rør har forskjellig diameter og vekt:

Andre parametere bidrar imidlertid også til å oppnå de ønskede radielle laster.

Disse parametere er rørets diameter og tykkelse, gjengetypen, materialegenskapene som elastisitetsmodulen (Young modulus), hvert skjøtelements overflateegenskaper, etc.

Ovenstående og andre formål vil fremkomme klarere ved henvisning til den etterfølgende detaljerte beskrivelse og de vedheftede tegninger, i hvilke:

Figur 1 viser et snittriss i et langsgående plan av skjøten i henhold til den foreliggende oppfinnelse;

Figur 2a og 2B viser forstørrede riss av detaljer av skjøten ifølge figur 1,

Figur 3 viser et diagram med kurver som fremstiller tendensen i tiltrekkingsmomentet som påføres skjøten ifølge oppfinnelsen.

Figur 4 viser et diagram med sammenliknende utmattingstestresultater.

Med særskilt henvisning til figurene er det vist en gjenget skjøt som generelt angis med henvisningstall 1, som forbinder to rør, et hannrør, eller hanndel 2, med en nominell utvendig diameter D, og et hunnrør eller hunndel 3 med nominell utvendig diameter Dl.

Flanndelen 2 har et gjenget parti 4 med hanngjenger med passende profil, for eksempel trapesformet og hunndelen 3 har et innvendig gjenget parti 5 med hunngjenger med samsvarende form.

Flann- og hunndelens felles akse er angitt med A.

Utformingen av skjøtens gjenger er basert på Taguchi-metoden, hvilken benytter teorien om ortogonale matriser (orthogonal matrices).

Dr. Taguchi utviklet en metode basert på eksperiment med "ortogonal oppstilling" (Orthogonal Array) som gir sterkt redusert varians for eksperimentet med optimale fastsettelser av styringsparametrer. Denne fremgangsmåte utnytter den tidligere kunnskap om produkt/ prosess. "Orthogonal Arrays" tilveiebringer et sett godt balanserte (minimum) eksperimenter, og dr. Taguchis signal-støy-forhold (S/N) tjener som objektive funksjoner for optimalisering og forutsigelse av optimale resultater. Signalstøy-forholdet må maksimeres, hvilket minimerer virkningene av støyen; støynivået vises som en feil som skal holdes lav, ellers ble utvalget av parametrer ikke fullført, og en del av støyen er faktisk et signal som ikke ble ordentlig identifisert ved begynnelsen av testen.

Parametrene for å evaluere bruk av metodologien ble definert som vist nedenfor med to mulige tilstander:

- Gjengprofilradier (0,2; 0,3mm)

- Gjengeinterferens (0,9%; 4% av forbindelsens gjennomsnittstykkelse)

- Overflatebehandling (kuleblåst, bar)

- Moment på skulder (mindre enn 12000 ft-lbs (1655 kpm), større enn 18000 ft-lbs (2490 kpm)) tilstrebede verdier på grunn av tilskruingstangens treghet.

De ovennevnte parametere ble kombinert som etterspurt av Taguchis metodikk for design av eksperimenter ved bruk av en L8 ortogonal matrise - åtte eksperimentelle forsøk. Eksperimentene ble utført ved to spenningsnivåer på et rør med en utvendig diameter på 244mm og en tykkelse på 13,84mm. Tabell 1 summerer parametrene.

Tabell 1 - L8 Taguchi-matrise og testresultater

Kurven i figur 4 viser forskjellen mellom en standard forbindelse og resultatene for forbindelsene som er fremstilt i henhold til tabellen ovenfor som er den mest effektiv kombinasjon ved bruk av den høyere interferens, en høyere energi på skulder, en større radius og den kuleblåste overflate. Hovedvirkningene ses i arealet over materialets utmattingsgrense, ~90 Mpa.

Ved å følge denne særskilte konstruksjonsmetodikk, mens aksialstrekkspenninger overføres gjennom den vanlige flanke mot flanke kontakten og bestemmer en aksiell interferens innen områder av verdier som brukes i skjøter ifølge kjent teknikk, bestemmes radielle laster i oppfinnelsens skjøt til å nå verdier som er høyere enn verdier ifølge kjent teknikk, hvilket sikrer en forbedret utmattingsmotstand.

Størrelsen av disse radielle laster avhenger hovedsakelig av radiell geometrisk interferens som oppnås ved passende utforming av de forskjellige diametre og toleranser for hann- og hunndel.

Fortrinnsvis gir en forstørret radius R mellom rot og lastflanke en fordel for skjøtens utmattingsmotstand.

For hann- og hunndelenes gjenger, for passende å tåle de høyere spenninger som frembringes ved den radiell interferens, har radien R mellom lastflanke og rot større verdi som vist særskilt i figur 2b.

Tester har vist at bruken av radiell interferens i gjengenes rot-til-kam frembringer lavere spenningskonsentrasjoner, hvilket summerer opp innføringen av den forstørrede radius R.

Den nevnte høye radialspenning kan frembringes enten mellom hanndelens gjengekammer og hunndelens gjengerøtter, hvilket etterlater fritt rom mellom hanndelens gjengerøtter og hunndelens gjengkammer (denne utførelse er ikke vist i figurene), eller vice versa som vist i figur 2b. Begge opsjoner kan også være tilstede samtidig i den samme skjøt.

Radien R kan ha en maksimalverdi som bare begrenses av behovet for å bibeholde skjøtens spenningseffektivitet, særskilt i utkjøringsgjengene (run out threads). Hvis radien er for stor, øker tendensen til frigjøring (disengagement).

Størrelsen av radien R har blitt satt til rundt V4av gjengehøyden og på grunn av anvendelse av forskjellige størrelser kan denne verdi være mellom 0,2 og 0,4 mm med en optimal verdi på 0,3 mm. I henhold til resultatene av de utførte tester har denne verdi vist seg å optimalisere den gjengede skjøts ytelse.

I tillegg gis en overflateherdingsbehandling som kuleblåsing, nitrering, settherding og kaldbearbeiding til skjøten. Dette frembringer flere virkninger.

For det første tilveiebringer den mikrotrykkforspenninger (compression micro preloads), hvilket forbedrer utmattingsmotstand som vist ved velkjente utmattingsanalyser. Derfor brukes kuleblåsing som garanterer høyere forspenninger.

For det andre øker behandlingen overflatehardheten. Det er vist, og angitt i kaldsveisingsteorier, at riving mellom to forskjellige overflater reduseres hvis deres overflatehardhet og finbearbeiding er forskjellige. Slik behandling, når den gis til hanneller hunndel, eller i forskjellige grader til forskjellige skjøtelementer for å frembringe forskjellige overflateegenskaper, eller i utvalgte områder av selve hanndelen og/eller hunndelen, fortrinnsvis det gjengede området, kan også redusere rivingstendenser og således tilstedeværelsen av mikrosprekker på grunn av slik riving som kunne påvirke utmattingsytelsen i ugunstig retning. For eksempel bidrar fosfatering av én av overflatene, for å gjøre den annerledes enn den andre, mye til å redusere riving. Fosfatering alene er imidlertid ikke effektiv når høye laster er involvert, og å kombinere den også med en herdeprosess som for eksempel den såkalte kuleblåsingsbehandling, sikrer slike egenskaper og øker skjøtens motstand mot høye kontakttrykk.

En slik herdebehandling uføres på hanndelen som vanligvis er mer belastet enn hunndelen, og nærmere bestemt påbegynnelsen og slutten av den gjengede sone som utsettes for høyere spenningskonsentrasjoner. Dette vil gi en mer jevn spenningsfordeling langs hele gjengen.

Rette prosessparametere for kuleblåsingen ble fastlagt etter flere tester som førte til en optimalisering av resultatene.

Én av hovedparametrene for prosessen er intensiteten ved kuleblåsingen som kan måles med Almen-testen som er standardisert i SAE-standard J442a. I henhold til resultatene fra de utførte tester er en Almen-intensitet mellom 006A og 015A passende for oppfinnelsen.

En annen viktig parameter er diameteren på kulene (kuleformede stål- eller glasspartikler), hvilken må bestemmes i henhold til geometrien på de stykker som skal behandles. For den foreliggende oppfinnelse er en kulediameter mellom 0,15 mm og 0,35 mm passende.

Med fordel kan den gjengede skjøt ifølge oppfinnelsen oppnå en enda høyere utmattingslevetid når en tilleggsenergisering under tiltrekking tilføres skjøten ved å påføre høye laster på skuldrene 6 og 7 mellom hann- og hunndelen. Dette gjøres ved å gi skjøten et ekstra tiltrekkingsmoment og derfor en ekstra last på skulderen. Dette har den overraskende virkning at en forbedret utmattingsmotstand oppnås i skjøten.

Denne tilførte last frembringer en ytterligere kompresjonsvirkning som tenderer til å strekke hunndelen 3 og å komprimere hanndelen 2 og således forbedre utmattingspåkjenningsmotstanden. Dette oppnås ved å balansere spenningsfordelingen over hele skjøtens 1 lengde og særskilt over hanndelen 2.

Med henvisning til diagrammet i figur 3 så vises der et kartesisk diagram hvor abscissen beskriver antallet tiltrekkingsomdreininger og ordinataksen beskriver størrelsen av momentet. Diagrammet viser to kurver 10 og 11.

Kurven 10 representerer momenttendensen for en skjøt ifølge kjent teknikk under tiltrekking i henhold til vanlig praksis. Punktet "a" på kurven 10 viser startpunktet for tiltrekkingsoperasjonen. Segmentet "a-b" viser den gradvise økning av moment på grunn av den vanlige radielle interferens som er vanlig i mange skjøter ifølge kjent teknikk. Segmentet "b-c" viser økningen i momentets størrelse på grunn av energiseringen av anleggsskuldrene mellom hann- og hunndel.

Kurven 11 viser momenttendensen som påføres en skjøt ifølge oppfinnelsens fremgangsmåte. Kurvens segment "a-d" viser at den gradvise økning av momentet har en brattere vinkel som forårsakes av den større radielle interferens mellom kammer og røtter i hann- og hunndelens gjenger. Kurvesegmentet "d-e" beskriver den skarpe økningen i moment som forårsakes av energiseringen av anleggsskuldrene 6 og 7 opp til en størrelse som samsvarer med en tiltrekking i henhold til vanlig praksis for kjente tiltrekkingsfremgangsmåter. Segmentet "e-f" beskriver det ekstra moment som man heretter er enige om å også kalle "Δ-moment" i henhold til oppfinnelsens tiltrekkingsfremgangsmåte.

Det er to punkter som er verd å merke seg når tiltrekkingsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen analyseres:

1) Momentskulderpunkt "d" hvor kurvens helling plutselig øker, viser at tiltrekkingen har nådd skulderlandingsposisjonen hvor hanndelens 2 skulder 6 ligger an mot hunndelens 3 skulder 7. Dette punkt "d" markerer enden av den første del av kurven 11 hvor gjengeinterferens har vært den eneste motstand mot det påførte moment.

2) Fra punkt "d" til endelig momentpunkt "f" hvor tiltrekking slutter, blir kurven en nesten vertikal linje siden momentverdier øker plutselig innen en brøkdel av en omdreining sammenliknet med den foregående del av kurven. Grunnen er at en aksiell interferens må overvinnes, hvilken sluker den samsvarende momentenergi som vil bli lagret som elastisk energi i skjøten.

Det ekstra moment påføres ved slutten av tiltrekkingen av hanndelen 2 i hunndelen 3. For eksempel: Når en vanlig tiltrekkingsoperasjon oppnår et sluttmoment som frembringer laster på cirka 50% av flytespenningen, øker "Δ-moment" som påføres ved oppfinnelsens fremgangsmåte lastene opp til 80% av flytespenningen. Disse verdier kan variere innen hele det mulige område mellom 1% og 99%. For hver type skjøt i handelen er det definert optimaliserte verdier, hvilke skjøter er utformet, testet og godkjent i henhold til det etterfølgende system.

I et første trinn tas det hensyn til skjøtparametere som diameter, tykkelse, stålklasse og gjengetype. Optimale tiltrekkingsparametere anslås, modelleres og simuleres.

I et andre trinn fullskalatestes verdier og initialprosessen tilbakemates i en iterativ sløyfe.

Som et tredje og siste trinn gjennomgår den tiltrukne skjøt tilleggsvalideringstester som simulerer virkelige driftsforhold for å validere og kvalifisere skjøten og tiltrekkingsprosessen.

Som en konsekvens av prosessens kompleksitet, bestemmes ikke tiltrekkingsparametere i form av absolutte parametere som for eksempel skjøtens diameter eller veggtykkelse. Δ-momentet eller segment "e-f" av kurve 11 bestemmes som et tilleggsmoment eller en forlengelse av kurven for moment mot omdreininger. Som en generell regel overstiger verken normalt moment eller Δ-moment flytespenningen til materialet i skulderregionen. Det er en fordel om "Δ-momentet" bestemmes med en størrelse mellom 10% og 50% av det normale moment eller at det er slik at den endelig momentverdi, det vil si det normale moment tillagt "Δ-moment", når eller en verdi som omfatter mellom 50% og 90% av stålets flytespenning. Det normale eller det maksimale nominelle tiltrekkingsmoment bestemmes av produsenten for hver spesifikk skjøt.

Oppfinnelsen brukes fortrinnsvis innen feltet OCTG og rørledningsskjøter for olje- og gassindustrien og særskilt innen anvendelser offshore.

Claims (4)

1. P A T E N T K R A V

   Gjenget skjøt som omfatter et hanngjenget rør (2) omtalt som hanndel, og

   et hunngjenget rør (3) omtalt som hunndel, hvor hanndelen er forsynt med en første anleggsskulder (6) og hunndelen er forsynt med en andre anleggsskulder (7), hvor nevnte første og andre anleggsskuldrer har komplementær form og hvor hanndelen (2) er tilpasset for å settes sammen med hunndelen (3), k a r a k t e r i s e r t v e d aten interferens er tilveiebrakt mellom gjengerøtter på enten hanndelen eller hunndelen og gjengekammer på den andre av hanndelen eller hunndelen målt i henhold til hanndelens og hunndelens nominelle dimensjoner, hvor verdien på interferensen utgjør mellom 1% og 5% av skjøtens gjennomsnittstykkelse, hvor det er tilveiebrakt en radius (R) mellom rot og lastflanke som har en størrelse rundt V4av gjengehøyden, og hvor skjøten er gitt en overflatebehandling som omfatter kuleblåsing utført på begynnelsen og slutten av hanndelens (2) gjengede sone.
2. 2. Gjenget skjøt i henhold til krav 1, hvor radien R har en verdi mellom 0,20 mm og 0,40 mm.
3. 3. Gjenget skjøt i henhold til krav 2, hvor radien R har en verdi av 0,30 mm.
4. 4. Fremgangsmåte for sammensetting av en gjenget skjøt som har trekk ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at fremgangsmåten omfatter trinnene:

   a) å føre hanndelens gjengede parti inn i hunndelens gjengede parti, b) å påføre et moment for å trekke til hanndelen i hunndelen inntil de første og andre anleggsskuldrer ligger an mot hverandre,

   c) å påføre et ekstra moment inntil en størrelse på mellom 50% og 90% av stålets flytespenning oppnås i den mest belastede del av skjøten (1).

   Fremgangsmåte for sammensetting av en gjenget skjøt som har trekk ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at fremgangsmåten omfatter trinnene:

   a) å føre hanndelens gjengede parti inn i hunndelens gjengede parti, b) å påføre et moment for å trekke til hanndelen i hunndelen inntil de første og andre anleggsskuldrer ligger an mot hverandre,

   c) å påføre et ekstra moment inntil en størrelse på mellom 10% og 50% av det normale tiltrekkingsmoment.