PL198006B1 - Kompozycja powłoki smarującej, powłoka smarująca dla połączenia gwintowego rur metalowych, sposób smarowania i łączenia rur metalowych - Google Patents

Abstract

1. Kompozycja pow loki smaruj acej zawieraj aca zasadniczo (A) 25 - 80% wagowych lotnego rozpuszczalnika organicznego oraz (B) 75 - 20% wagowych przynajmniej jednego sk ladnika nielot- nego, znamienna tym, ze 100 cz esci wagowych sk ladnika nielotnego (B) zawiera zasadniczo od 10 do 100 cz esci wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego z zasadowych sulfo- nianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów, który jest przynajmniej czesciowo rozpusz- czony w rozpuszczalniku (A), od 0 do 30 cz esci wagowych zywicy termoplastycznej, od 0 do 90 cz esci wagowych smaru innego ni z smar zasadowy oraz od 0 do 15 cz esci wagowych dodatku czynnika wysokoci snieniowego. 10. Sposób smarowania po laczenia gwintowego dla rur metalowych zawieraj acego pasuj ace do siebie sworze n i skrzyni e, sworze n posiada zewn etrznie nagwintowan a czes c oraz metalow a nie na- gwintowan a cz esc stykow a, skrzynia posiada wewn etrznie nagwintowan a cz es c oraz metalow a nie nagwintowan a cz esc stykow a, znamienny tym, ze nak lada si e kompozycj e pow loki smaruj acej przy- najmniej na pewnym obszarze cz esci nagwintowanej i/lub metalowej nie nagwintowanej cz esci styko- wej przynajmniej jednego z elementów po laczenia sworznia lub skrzyni, potem suszy si e i odparowuje sie rozpuszczalnik, przy czym pow loka smaruj aca zawiera przynajmniej 10% wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego spo sród zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów a przynajmniej jeden zasadowy smar ma liczb e zasadow a przynajmniej 50 mg KOH/g i pow loka smaruj aca ponadto zawiera zywic e termoplastyczn a. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozycja powłoki smarującej i powłoka smarująca, odpowiednia do smarowania połączenia gwintowego dla rur metalowych, w szczególności rur szybów naftowych. Przedmiotem wynalazku jest także sposób smarowania połączenia gwintowego z wykorzystaniem takiej kompozycji i sposób łączenia ze sobą wielu rur metalowych. Kompozycja powłoki smarującej według wynalazku może nadawać odpowiednią smarowność i właściwości antykorozyjne połączeniu gwintowemu rur szybu naftowego, bez potrzeby nakładania smaru stałego.

Rury szybu naftowego takie jak przewody rurowe i rury okładzinowe wykorzystywane podczas wiercenia szybów naftowych złóż ropy naftowej i gazu, typowo łączone są ze sobą przy pomocy połączeń gwintowych. W przeszłości głębokość szybów naftowych miała typowo zakres od 2000 do 3000 metrów, obecnie głębokość szybów naftowych może osiągać od 8000 do 10000 metrów w przypadku złóż szelfowych oraz innych złóż głębokich.

Połączenie gwintowe rur szybu naftowego w swoim środowisku roboczym poddawane jest oddziaływaniu wielu różnych sił, wytwarzanych przez ciężar rur szybu naftowego oraz połączeń gwintowych, ciśnienie wytworzone przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne, podlega także wpływowi ciepła geotermicznego. Połączenia gwintowe w tak nieprzyjaznych warunkach muszą zachowywać gazoszczelność przy braku jakichkolwiek uszkodzeń.

W procesie opuszczania przewodów rurowych lub rur osłonowych do wnętrza szybu połączenie, które zostało raz zestawione w celu połączenia rur, często musi zostać rozluźnione lub rozłączone a następnie ponownie zestawione. Amerykański Instytut Naftowy (API - American Petroleum Institute) wymaga, aby w połączeniu nie dochodziło do korozji ciernej, która prowadziłaby do trwałego zatarcia oraz aby w połączeniu zachowana była gazoszczelność nawet w przypadku dziesięciokrotnego łączenia (zestawiania) i rozłączania w przypadku połączenia przewodu rurowego i trzykrotnego w przypadku połączenia rury osłonowej.

Jeden z typów połączenia gwintowego dla rur szybów naftowych posiada doskonałe własności w zakresie szczelności połączenia, jest to połączenie gwintowe o konstrukcji sworznia i skrzyni posiadające metalową część stykową tworzącą uszczelnienie. W takim połączeniu gwintowym, zwykle sworzeń tworzy zewnętrzna powierzchnia każdego z krańców rury szybu naftowego. Sworzeń zwykle posiada część nagwintowaną zewnętrznie oraz metalową część stykową nie posiadającą gwintu. Ta ostatnia część jest określana jako metalowa nie nagwintowana część stykowa i znajduje się przed częścią nagwintowaną na samym krańcu rury. Skrzynia jest utworzona na wewnętrznej powierzchni oddzielnego elementu łączącego w kształcie tulei, posiada wewnętrznie nagwintowaną część oraz metalową nie nagwintowaną część stykową umieszczoną za częścią nagwintowaną, które odpowiednio stykają się lub pasują do odpowiednich części nagwintowanych i nie nagwintowanych sworznia. Gdy sworzeń jest wkręcany do skrzyni w celu zestawienia połączenia, metalowe nie nagwintowane części stykowe sworznia i skrzyni są wzajemnie dociskane tak, aby utworzyć szczelne połączenie metalowe.

Zasadniczo sworzeń może być wykonany na jednym krańcu rury szybu naftowego a skrzynia może być wykonana na przeciwnym krańcu rury szybu naftowego tak, aby dwie rury szybu naftowego zostały połączone kolejno ze sobą bez potrzeby wykorzystywania oddzielnego elementu łączącego. Możliwe jest także wykonanie gwintu wewnętrznego na wewnętrznej powierzchni obu krańców rur szybu naftowego w celu zdefiniowania skrzyń, oraz wykonania zewnętrznego gwintu na każdym z krańców elementu łączącego w celu zdefiniowania sworzni.

Aby zagwarantować odpowiednią szczelność uszczelnienia metalowego opisanego powyżej połączenia gwintowego w środowisku szybu naftowego, niezbędne jest wytworzenie niezwykle dużego nacisku powierzchniowego przyłożonego do metalowych nie nagwintowanych części stykowych w czasie zestawiania połączenia. Taki nacisk powierzchniowy sprzyja powstawaniu korozji ciernej. Tak więc, przed mocowaniem, na metalowe części stykowe oraz części nagwintowane nakładany jest smar stały, nazywany złożonym smarem stałym co pozwala zwiększyć ochronę antykorozyjną i wytworzyć połączenie o lepszej gazoszczelności.

Jednakże złożone smary stałe zawierają duże ilości proszku złożonego z metali ciężkich takich jak ołów, cynk lub miedź, a gdy smar zostanie wymyty, istnieje możliwość, że substancje te spowodują skażenie środowiska. Ponadto, nałożenie złożonego smaru stałego pogarsza środowisko pracy i obniża efektywność roboczą. Tak więc, pożądane jest połączenie gwintowe, które nie wymagałoby nakładania smaru stałego takiego jak złożony smar stały.

PL 198 006 B1

W odniesieniu do połączenia gwintowego, które nie wymaga zastosowania smaru stałego, japońskie opublikowane niezbadane zgłoszenia patentowe o numerach 8-233164 (1996) i 9-72467 (1997) ujawniają połączenie gwintowe typu sworzeń - skrzynia posiadające powłokę wykonaną ze smaru stałego i żywicy utworzoną w metalowej części stykowej skrzyni lub sworznia. Powłoka bazuje na smarze stałym i zawiera duże ilości smaru stałego takiego jak dwusiarczek molibdenu rozpuszczonego w żywicy takiej jak żywica epoksydowa. Japońskie opublikowane niezbadane zgłoszenie patentowe numer 11-132370 (1999) ujawnia połączenie gwintowe posiadające powłokę ze smaru stałego i żywicy, w której zoptymalizowano zbieżność gwintu.

Jednakże nie jest prosto utworzyć powłokę smaru stałego i żywicy tak, aby uzyskać jednorodną grubość powłoki na całej długości gwintu i metalowych nie nagwintowanych części stykowych połączenia gwintowego. Jeśli powłoka nie została wykonana tak, że posiada jednorodną grubość, w tych obszarach, gdzie powłoka jest zbyt gruba, nacisk powierzchniowy wywierany na nią w czasie zestawiania połączenia gwintowego staje się zbyt duży, co powoduje wzrost momentu wymaganego do dokręcenia (momentu zestawiającego) lub może prowadzić do odkształcenia gwintu a to sprawia, że bardzo łatwo występuje korozja cierna. Z drugiej strony, w obszarach, w których powłoka jest zbyt cienka, występuje słabe smarowanie i szybko pojawia się korozja.

W szybie naftowym, łączenie ze sobą rur szybu naftowego jest często przeprowadzane w sytuacji, w której łączone rury są ustawiane pionowo, przy czym sworzeń na jednym krańcu rury zwrócony jest w kierunku ziemi. W czasie zestawiania połączenia, niczym nadzwyczajnym nie jest niewłaściwe wzajemne ułożenie łączonych elementów, to znaczy oś podłużna rury, to jest oś obrotu wkręcanego sworznia, w poziomie różni się od położenia osi skrzyni, w którą sworzeń ma zostać wkręcony lub jest odchylona od pionu. Ponadto, gdy rura szybu naftowego jest ustawiona pionowo, rdza lub drobiny skalne oderwane od wewnętrznej powierzchni rury lub też cząstki materiału wykorzystanego do usuwania rdzy lub fragmentów skały mogą opadać w dół poprzez prześwit rury i przywierać lub odkładać się na połączeniu. Tak więc, zestawianie połączenia może odbywać się w obecności rdzy, drobin skalnych lub cząstek materiału użytego do piaskowania, które przywarły do części nagwintowanej lub metalowej nie nagwintowanej części stykowej.

W warunkach obejmujących opisane powyżej problemy niewłaściwego pozycjonowania i/lub odkładania się cząstek obcych, które występują często w czasie łączenia rur w szybie naftowym nawet, jeśli istnieje możliwość utworzenia powłoki smaru stałego i żywicy o określonej grubości, łatwo dochodzi do wystąpienia korozji ciernej. Ponieważ powłoka smaru stałego i żywicy posiada małą rozszerzalność i niską płynność, może łatwo ulec odłupaniu. W opisanych powyżej warunkach, duży nacisk może być wywarty jedynie lokalnie w niektórych obszarach części nagwintowanej i metalowych nie nagwintowanych częściach stykowych, co powoduje odłupanie powłoki smaru stałego i żywicy w obszarach podlegających nadmiernemu naciskowi. Tak więc, w niektórych obszarach połączenia mogą występować odsłonięte powierzchnie metalu, co prowadzi do powstawania korozji ciernej.

Z drugiej strony, gdy na połączenie gwintowe nałożony zostanie smar mazisty lub oleisty, który posiada naturalnie dobrą płynność, w czasie zestawiania połączenia, nacisk działa na smar wypełniający szczeliny pomiędzy zwitkami gwintu lub w częściach wgłębionych powierzchni powodując, że smar znajdujący się pod ciśnieniem wycieka do obszarów sąsiednich, co sprawia, że metalowe części stykowe mogą być wystarczająco dobrze nasmarowane. Zachowania takiego nie można oczekiwać od powłoki smaru stałego i żywicy, która z natury posiada niską elastyczność i niewielką płynność.

Smar stały jest normalnie zmywany i nakładany przed każdą operacją zestawiania połączenia. Przeciwnie, powłoka smaru stałego i żywicy jest tworzona przed pierwszą operacją zestawiania połączenia i powinna być zachowana do ostatniej operacji zestawiania połączenia. Narażona jest więc na występowanie problemów związanych z rdzą takich jak te opisane poniżej.

Kompozycja powłoki smarującej zawierająca zasadniczo (A) 25 - 80% wagowych lotnego rozpuszczalnika organicznego oraz (B) 75 - 20% wagowych przynajmniej jednego składnika nielotnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że 100 części wagowych składnika nielotnego (B) zawiera zasadniczo od 10 do 100 części wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego z zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów, który jest przynajmniej częściowo rozpuszczony w rozpuszczalniku (A), od 0 do 30 części wagowych żywicy termoplastycznej, od 0 do 90 części wagowych smaru innego niż smar zasadowy oraz od 0 do 15 części wagowych dodatku czynnika wysokociśnieniowego.

Żywica termoplastyczna ma postać proszku, który jest nierozpuszczalny w rozpuszczalniku.

PL 198 006 B1

Powłoka smarująca dla połączenia gwintowego rur metalowych według wynalazku zawiera przynajmniej 10% wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego spośród zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów.

Przynajmniej jeden zasadowy smar ma liczbę zasadową przynajmniej 50 mg KOH/g a powłoka smarująca ponadto zawiera żywicę termoplastyczną.

Korzystnie żywica termoplastyczna ma postać proszku.

Powłoka smarująca ponadto zawiera przynajmniej jeden dodatek wybrany z grupy zawierającej smar inny niż smar zasadowy i dodatkowy czynnik wysokociśnieniowy.

Powłoka smarująca przeznaczona jest korzystnie do połączenia gwintowego rur metalowych, zwłaszcza dla metalowych rur szybu naftowego.

Powierzchnia części, na których utworzono powłokę smarującą posiada powierzchniową chropowatość, Rmax, w zakresie 5 - 40 mikrometrów.

Sposób smarowania połączenia gwintowego dla rur metalowych zawierającego pasujące do siebie sworzeń i skrzynię, przy czym sworzeń posiada zewnętrznie nagwintowaną część oraz metalową nie nagwintowaną część stykową, skrzynia posiada wewnętrznie nagwintowaną część oraz metalową nie nagwintowaną część stykową, według wynalazku charakteryzuje się tym, że nakłada się kompozycję powłoki smarującej przynajmniej na pewnym obszarze części nagwintowanej i/lub metalowej nie nagwintowanej części stykowej przynajmniej jednego z elementów połączenia sworznia lub skrzyni, potem suszy się i odparowuje się rozpuszczalnik, przy czym powłoka smarująca zawiera przynajmniej 10% wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego spośród zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów a przynajmniej jeden zasadowy smar ma liczbę zasadową przynajmniej 50 mg KOH/g i powłoka smarująca ponadto zawiera żywicę termoplastyczną a korzystnie metalową rurę stanowi rura szybu naftowego.

Sposób łączenia obejmujący łączenie ze sobą wielu metalowych rur, bez konieczności nakładania smaru stałego, przy użyciu połączenia gwintowego, które zostało nasmarowane sposobem według wynalazku, przy czym metalowe rury są rurami szybu naftowego.

Figura 1 jest schematem przedstawiającym rurę szybu naftowego 1 posiadającą sworznie o zewnętrznie nagwintowanej części 3, umieszczone na obu krańcach rury, oraz nagwintowany element łączący 2 posiadający skrzynię i wewnętrznie nagwintowane części 4 umieszczone na obu krańcach skrzyni.

Rura szybu naftowego 1 jest normalnie dostarczana w stanie przedstawionym na fig. 1, to znaczy w stanie, w którym element łączący 2 jest już połączony z jednym krańcem rury szybu naftowego 1. Tak więc, opisana powyżej powłoka smaru stałego i żywicy musi być utworzona przed zamontowaniem nagwintowanego elementu łączącego 2 na jednym z krańców rury szybu naftowego 1, co jest realizowane przed dostawą. Uzyskany zespół rura szybu naftowego/element łączący posiada sworzeń lub skrzynię na każdym krańcu, który nie jest połączony z pasującą skrzynią lub sworzniem, taki sworzeń lub skrzynia są często wystawione na oddziaływanie wody deszczowej w czasie transportu lub też w czasie składowania. Powłoka smaru stałego i żywicy nie posiada odpowiednichwłaściwości antykorozyjnych, aby w pełni ochronić sworznie i skrzynie w takiej sytuacji, a więc bardzo łatwo rozwija się korozja. Jeśli złożony smar stały został nałożony przed transportem, w celu zapewnienia częściowej ochrony antykorozyjnej, ochrona antykorozyjna zrealizowana w taki sposób jest pewniejsza.

Z uwagi na niewielką płynność rdzy oraz w wyniku pęcznienia lub odpadania powłoki smaru stałego i żywicy towarzyszącemu tworzeniu się rdzy, moment zestawiający połączenie wymagany do zestawienia zardzewiałego połączenia staje się bardziej nieprzewidywalny, a więc łatwiej dochodzi do powstawania korozji ciernej, a gazoszczelność połączenia zmniejsza się.

Celem wynalazku jest wprowadzenie kompozycji odpowiedniej do utworzenia powłoki smarującej, w szczególności na połączeniu gwintowym rur szybu naftowego, w którym opisane powyżej problemy znane ze stanu techniki są przynajmniej częściowo zredukowane lub wyeliminowane.

Kolejnym celem wynalazku jest wprowadzenie kompozycji powłoki smarującej, która jest zdolna do zapobiegania lub ogranicza powstawanie rdzy, bez konieczności stosowania złożonego smaru stałego, a dzięki temu zwiększa stabilność momentu zestawiającego połączenie.

Kolejnym celem wynalazku jest wprowadzenie kompozycji powłoki smarującej, która może nadać połączeniu gwintowemu rur szybu naftowego, znakomitą odporność na korozję cierną oraz która jest zdolna do utworzenia dobrego gazoszczelnego połączenia nawet, jeśli połączenie gwintowe zostało zestawione w takich warunkach jak te, w których występuje niewłaściwe pozycjonowanie rur

PL 198 006 B1 lub w miejscu połączenia przylega rdza lub drobiny materiału lub też cząstki pozostałe po piaskowaniu połączenia, co zdarza się często w rzeczywistych procedurach mocowania rur.

Wynalazcy przeanalizowali odporność na korozję cierną powłoki złożonej z materiału semi-stałego lub lepkiej cieczy (poniżej w tekście określanej wspólnie nazwą materiału semi-suchego) przez pomiar zdolności do przejmowania obciążeń aż do wystąpienia korozji ciernej, pomiaru dokonano przy użyciu obrotowego przyrządu do pomiaru tarcia takiego jak ten przedstawiony na fig. 2. Zbadano także, własności antykorozyjne powłoki przy zastosowaniu badania z użyciem słonej wody określonego w normie JIS Z2371. W rezultacie badań stwierdzono, że:

[Odporność na korozję cierną] (1) Zdolność do obciążeńaż do wystąpieniakorozji demej mierzona przypomocy obrotowego urządzenia do pomiaru tarcia, ma ścisły związek z łatwością występowania korozji ciernej w badaniu powtarzanego zestawiania i rozłączania połączenia rzeczywistych rur.

(2) ZasadowesuHoniany, or^^^ zasadowefenoiany to smarysemi-ssałe lub lepkie w temperaturze pokojowej przyjmują konsystencję mazi. Płynność pojawia się w warunkach występowania ciśnienia hydrostatycznego, mogą stanowić znakomitą ochronę antykorozyjną chroniącą przed występowaniem korozji ciernej, nawet występując w postaci cienkiej warstwy.

(3) Gdy jeden z takich smarów jest przynajmniej częściowo rozpuszczony w rozpuszczalniku a otrzymany roztwór został naniesiony na połączenie gwintowe w postaci cienkiej powłoki, smar cechuje obniżona adhezyjność, dzięki czemu zmniejsza się ilość materiału obcego, który przywiera do powłoki oraz wzrasta odporność na korozję cierną.

(4) Dodanie żywicy termoplassycznej do smaru spowoduje dalsze obniżenie adhezyjności smaru i umożliwia wzrost lepkości, dzięki czemu wzrasta odporność na korozję cierną.

(5) Im większa chropowatość powierzchniowa podłoża, na którym nałożono smar, tym większy wzrost odporności na korozję cierną.

[Ochrona antykorozyjna] (1) Zasadowe sulfoniany, zasadowe salicylany oraz zasadowe fenolany cechują lepsze własności antykorozyjne niż takie substancje w postaci obojętnej.

(2) Gdy przed nałożeniem smary zostały rozpuszczone w rozpuszczalniku, są one absorbowane przez podłoże w sposób bardziej jednorodny, a dobre własności ochrony antykorozyjnej uzyskuje się przy zastosowaniu cienkiej powłoki.

Japońskie opublikowane niezbadane zgłoszenie patentowe numer 2-229891 (1990) ujawnia kompozycję oleju smarującego zawierającą przynajmniej jeden zasadowy sulfonian, zasadowy salicylan oraz zasadowy fenolan. Jednakże, co zostanie opisane poniżej, ta kompozycja oleju smarującego jest zasadniczo różna od kompozycji powłoki smarującej według wynalazku.

Kompozycja oleju smarującego ujawniona w japońskim opublikowanym niezbadanym zgłoszeniu patentowym numer 2-229891 zawiera przynajmniej jeden smar zasadowy wybrany z grupy zawierającej zasadowy sulfonian, zasadowy salicylan oraz zasadowy fenolan oraz dodatek aminowy w oleju zasadowym oleju smarującego. Ponieważ olej zasadowy nie jest substancją lotną, po nałożeniu kompozycja tworzy powłokę smarującą, w której olej zasadowy pozostaje nie odparowany.

Przeciwnie, w kompozycji powłoki smarującej według wynalazku, zasadowy smar wybrany z grupy zawierającej zasadowe sulfoniany, zasadowe salicylany oraz zasadowe fenolany jest przynajmniej częściowo rozpuszczony w lotnym rozpuszczalniku. Ponieważ rozpuszczalnik odparowuje w czasie etapu suszenia po nałożeniu kompozycji, zasadniczo nie występuje on w nałożonej powłoce smarującej. A więc, oddziaływanie oleju zasadowego wykorzystanego w opisanym powyżej japońskim opublikowanym zgłoszeniu patentowym oraz oddziaływanie lotnego rozpuszczalnika użytego w tym wynalazku są zasadniczo od siebie różne.

Ponadto, gdy kompozycja powłoki smarującej według wynalazku zostaje nałożona na połączenia gwintowe rury szybu naftowego, tworzy powłokę smarującą, która zachowuje smarowność nawet w przypadku wielokrotnego powtarzania operacji zestawiania i rozłączania połączenia. Powłoka smarująca zawiera przynajmniej 10% wagowych smaru zasadowego pełniącego rolę smaru głównego i nawet, gdy nie zawiera innego smaru takiego jak zasadowy olej, cechują ją dobra smarowność.

Przeciwnie, kompozycja oleju smarującego opisana we wspomnianej publikacji jest olejem wykorzystywanym podczas skrawania lub szlifowania metali. Proporcje zasadowego smaru w kompozycji oleju smarującego zawierają się w przedziale od 0,1-10% wagowych a ponieważ olej zasadowy nie odparowuje, zasadowy smar jest obecny w takich samych proporcjach w powłoce smarującej. Tak więc, zasadowy smar to nic więcej niż tylko dodatek do powłoki oleju smarującego. Kompozycja i wy6

PL 198 006 B1 korzystanie powłoki smarującej według wynalazku są odmienne od tych opisanych we wspomnianym japońskim opublikowanym zgłoszeniu patentowym.

Japońskie opublikowane niezbadane zgłoszenie patentowe numer 5-306397 (1993) ujawnia kompozycję smarującą wykorzystywaną do walcowania na gorąco stali, w której do oleju zasadowego wykorzystywanego w procesie walcowania na gorąco dodano duże ilości ponad-zasadowych sulfonianów wapnia. Taka kompozycja smarująca różni się od kompozycji według wynalazku tym, że olej zasadowy nie jest substancją lotną i pozostaje w uzyskanej powłoce W smarującej. Ponadto, zastosowanie takiej powłoki jest odmienne od zastosowania ujawnionego w wynalazku.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat zmontowanej konstrukcji rury szybu naftowego oraz nagwintowanego elementu łączącego połączonego z rurą przed dostawą, fig. 2 - schemat prezentujący obrotowe urządzenie do pomiaru tarcia wykorzystane do określenia smarowności kompozycji powłoki smarującej według wynalazku, fig. 3 - schemat przedstawiający nagwintowane połączenie rur szybu wiertniczego, fig. 4 - schemat pokazujący, że niewielkie szczeliny (niedokładności) występują w częściach nagwintowanych i nie nagwintowanych częściach stykowych połączenia gwintowego rur szybu naftowego, fig. 5 (a), 5 (b) i 5 (c) - powiększenie przekroju poprzecznego pokazujące powłokę smarującą utworzoną na nie poddanej obróbce nie nagwintowanej metalowej części stykowej sworznia w niektórych przykładach wykonania połączenia gwintowego dla rur szybu naftowego według wynalazku a fig. 6 powiększony schemat przekroju pokazujący powłokę smarującą utworzoną na nie nagwintowanych metalowych częściach stykowych innego przykładu wykonania połączenia gwintowego rur szybu naftowego według wynalazku.

Kompozycja powłoki smarującej według wynalazku zawiera rozpuszczalnik oraz określony zasadowy smar będące głównymi składnikami występującymi w kompozycji wraz z innymi składnikami co zostanie szczegółowo opisane.

[Rozpuszczalnik]

Zadaniem rozpuszczalnika jest rozpuszczanie lub dyspersja zasadowego smaru i opcjonalnie innych smarów i dodatków. Rozpuszczalnik został wprowadzony do kompozycji, aby umożliwić efektywne utworzenie powłoki smarującej posiadającej jednakową grubość i skład. W rezultacie, zasadowy smar i inne elementy smarujące są jednorodnie wchłaniane przez powierzchnię podłoża, możliwe jest również utworzenie powłoki smarującej posiadającej doskonałe własności antykorozyjne, nawet w przypadku, gdy powłoka jest cienka.

W wynalazku rozpuszczalnik jest rozpuszczalnikiem lotnym. W przeciwieństwie do oleju zasadowego, który był konwencjonalnie używany w oleju smarującym, rozpuszczalnik odparowuje lub jest odparowywany w czasie procesu formowania powłoki smarującej i zasadniczo nie znajduje się w uzyskanej powłoce smarującej. Użyty tu termin odparowuje oznacza, że rozpuszczalnik wykazuje tendencję do odparowania w temperaturze od temperatury pokojowej do 150°C, gdy wchodzi w skład powłoki.

Rodzaj rozpuszczalnika nie jest istotny tak długo jak długo mamy do czynienia z cieczą organiczną, która może całkowicie lub częściowo rozpuścić zasadowy smar oraz który może prosto odparować w czasie etapu suszenia po nałożeniu powłoki. Przykłady odpowiednich lotnych rozpuszczalników odpowiednich do zastosowania w prezentowanym wynalazku obejmują rozpuszczalniki ropopochodne takie jak rozpuszczalniki czyszczące oraz benzyna lakowa odpowiadająca benzynie przemysłowej określone w normie JIS K2201, takie jak aromatyczna nafta, ksylen, rozpuszczalniki celulozowe. Możliwe jest wykorzystanie mieszaniny dwóch lub większej liczby takich substancji. Korzystnie rozpuszczalnik posiada punkt zapłonu wynoszący przynajmniej 30°C oraz początkowy punkt wrzenia wynoszący przynajmniej 150°C oraz punkt końcowy wynoszący co najwyżej 210°C, ponieważ tego rodzaju rozpuszczalnik jest stosunkowo prosty w obsłudze i szybko odparowuje w celu zredukowania czasu wymaganego na operacje suszenia.

[Zasadowy smar]

Przynajmniej jeden zasadowy smar wybrany z grupy zawierającej zasadowe sulfoniany, zasadowe salicylany oraz zasadowe fenolany jest wykorzystywany jako główny element smarujący w kompozycji powłoki smarującej według wynalazku. Główny składnik smarujący nie musi być obecny w kompozycji w ilości dominującej, niemniej jest to składnik, który odgrywa zasadniczą rolę w nadawaniu innowacyjnej kompozycji smarowności.

Każdy z zasadowych smarów jest solą złożoną z aromatycznego kwasu i nadmiernej ilości związków alkalicznych. Tak jak opisano poniżej, ten typ zasadowego smaru zawiera nadmierną ilość

PL 198 006 B1 związków alkalicznych w postaci cząstek koloidalnych, które są rozprowadzone w substancji oleistej, w temperaturze pokojowej przyjmuje postać semi-suchą lub lepkiej cieczy o konsystencji mazi.

A. Zasadowe sulfoniany:

Część kwasu sulfonowego, która tworzy zasadowe sulfoniany może być ropopochodnym kwasem sulfonowym, który uzyskuje się przez sulfonizację elementów aromatycznych zawartych w destylacie ropopochodnym lub też syntetycznym aromatycznym kwasem sulfonowym. Przykłady syntetycznego aromatycznego kwasu sulfonowego obejmują kwas dodecylobenzenosulfonowy, kwas dinonylonaftalenesulfonowy i tym podobne kwasy. Część kationowa lub sól takiego sulfonianu może być metalem alkalicznym lub solą metali ziem alkalicznych. Z tych soli korzystne są sole metali ziem alkalicznych, w szczególności sól wapnia, sól baru i sól magnezu są składnikami korzystnymi. Sole te będą miały prawie takie samo działanie.

Przykładowo, poniżej opisany zostanie zasadowy sulfonian wapnia, niemniej zasadowe sulfoniany nie ograniczają się do soli wapnia. Zasadowy sulfonian wapnia jest dostępny komercyjnie. Przykładami produktów komercyjnych są Sulfol 1040 wytwarzany przez Matsumura Petroleum Institute oraz Lubrizol 5318 wytwarzany przez Japan Lubrizol.

Zasadowy sulfonian wapnia jest przygotowany przez rozpuszczenie obojętnej soli sulfonianu w odpowiednim rozpuszczalniku, takim jak jeden wybrany z grupy zawierającej aromatyczne węglowodory, alkohol oraz benzynę lakową, dodanie wodorotlenku wapnia w ilości wystarczającej do nadania odpowiedniej liczby zasadowej wymaganej dla powstania zasadowego sulfonianu wapnia oraz mieszanie. Następnie, przez mieszaninę przepuszczany jest dwutlenek węgla w postaci gazowej tak, aby nawęglić dodany wodorotlenek wapnia, mieszanina jest następnie filtrowana w obecności czynnika filtrującego takiego jak aktywny kaolin. Filtrat jest destylowany w próżni w celu usunięcia lotnego rozpuszczalnika i pozostawienia żądanego zasadowego sulfonianu wapnia jako osadu.

Zasadowy sulfonian wapnia, który został przygotowany z użyciem tego sposobu ma postać semi-stałą lub postać lepkiej cieczy podobnej do mazi, która zawiera koloidalne drobne cząstki węglanu wapnia rozproszone w sposób stabilny w substancji oleistej. Ponieważ rozproszone cząstki węglanu wapnia mogą pełnić funkcję smaru stałego, w szczególności w ciężkich warunkach mocowania przy niewielkim wpływie na pracę gwintu, zasadowy sulfonian wapnia przejawia znakomite własności smarujące w porównaniu do typowego ciekłego oleju smarującego. Ponadto, w przypadku, w którym powierzchnia cierna posiada nieznaczne nieregularności (chropowatość powierzchniową), zasadowy sulfonian wapnia przejawia nawet bardziej niż doskonałe własności przeciwdziałające korozji ciernej dla połączenia gwintowego rur szybu naftowego, dzięki połączonemu efektowi występowania mikrowarstewki cieczy wytwarzanej przez ciśnienie hydrostatyczne oraz efektowi smarowania stałego wytwarzanego przez mikro cząsteczki.

Przy użyciu opisanego złożonego smaru stałego, który został konwencjonalnie nałożony na połączenie gwintowe rur szybu naftowego przed montażem, zawarty w nim proszek metalu ciężkiego takiego jak ołów pełni rolę stałego smaru, a wymagane własności zapobiegające występowaniu korozji ciernej oraz zapewniające gazoszczelność wymagane przy zestawieniu połączenia gwintowanego rur szybu naftowego, zostają osiągnięte przez połączenie efektu smarowania smaru stałego proszku oraz efektu smarowania warstewki cieczy smaru. W kompozycji powłoki smarującej według wynalazku, zasadowy sulfonian sam w sobie może wprowadzać zarówno efekt smarowania smaru stałego jak i efekt smarowania warstewki cieczy, a więc może nadawać połączeniu gwintowemu rur szybu naftowego taką samą odporność na korozję cierną i gazoszczelność jaką nadaje złożony smar ale bez konieczności stosowania proszku z metalu ciężkiego. Efekt zasadowego sulfonianu może zostać uzyskany przy wykorzystaniu zasadowych salicylanów lub zasadowych fenolanów.

B. Zasadowe salicylany:

Zasadowe salicylany mogą być solami metali alkalicznych lub solami metali ziem alkalicznych kwasu alkilosalicylowego. Kwas alkilosalicylowy może zostać przygotowany w reakcji Kolbe-Schmitt'a z alkilofenolu, który jest uzyskiwany przez alkilowanie fenolu przy użyciu alfa-olefin od około 14 do około 18 atomów węgla. Sól jest korzystnie solą metalu ziem alkalicznych a w szczególności solą wapnia, solą baru lub solą magnezu.

Zasadowe salicylany mogą być uzyskane przez konwersję obojętnej soli salicylanu na sól zasadową przy użyciu tego samego sposobu, który został opisany w odniesieniu do zasadowego sulfonianu. Jest to semi-stała lub lepka substancja podobna do smaru stałego, zawiera węglany alkali w postaci cząstek koloidalnych rozproszonych w oleju. Zasadowy salicylan wapnia jest również do8

PL 198 006 B1 stępny komercyjnie. Przykłady produktów komercyjnych obejmują OSCA 431 i OSCA 453 oferowane przez OSCA Chemicals oraz Sap 005 oferowany przez Shell Chemicals.

C. Zasadowe fenolany:

Zasadowy fenolan można uzyskać w procesie konwersji obojętnej soli fenolanu na sól zasadową przy użyciu tego samego sposobu jak opisany w odniesieniu do zasadowego sulfonianu. Obojętny fenolan można uzyskać w wyniku przeprowadzenia reakcji alkifenolu takiej jak opisano powyżej, z wodorotlenkiem metalu w obecności wolnej siarki w rozpuszczalniku alkoholowym. Zasadowy fenolan jest także substancją semi-stałą lub lepką cieczą podobną do smaru stałego i zawiera nadmiar węglanów alkali w postaci koloidalnych cząstek rozproszonych w oleju. Sól jest korzystnie solą metali ziem alkalicznych, w szczególności solą wapnia, solą baru lub solą magnezu.

W kompozycji powłoki smarującej według przykładu wykonania wynalazku, przynajmniej jeden zasadowy smar wybrany z grupy zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów i zasadowych fenolanów jest wybrany jako smar główny. Gdy wykorzystano dwa lub większą liczbę zasadowych smarów, mogą to być smary tego samego gatunku (takie jak dwa zasadowe sulfoniany) lub smary różnych gatunków (takie jak połączenie zasadowego sulfonianu i zasadowego salicylanu).

Im wyższa liczba zasadowa zastosowanego smaru zasadowego, tym większa ilość nadmiarowych mikrocząsteczek węglanu, które pełnią rolę smaru stałego oraz wyższa smarowność i odporność na korozję cierną. Ponadto, powłokę smarującą posiadającą stopień zasadowości wyższy niż określony poziom, cechują zwiększone własności antykorozyjne wynikające ze zdolności do neutralizacji substancji kwasowych, które mogą powodować korozję. Z tych też powodów, zasadowy smar użyty w wynalazku korzystnie posiada liczbę zasadową (JIS K2501) (gdy wykorzystane są dwa lub większa liczba zasadowych smarów, średnia ważona ich liczb zasadowych w zależności od ilości) wynosi przynajmniej 50 mg KOH/g. Jednakże, zasadowy smar posiadający liczbę zasadową przekraczającą 500 mg KOH/g posiada zwiększone właściwości hydrofilowe i obniżone własności antykorozyjne. Liczba zasadowa smaru korzystnie zawiera się w zakresie od 100 do 500 mg KOH/g, a najkorzystniej w zakresie od 250 do 450 mg KOH/g.

[Żywica termoplastyczna]

Kompozycja powłoki smarującej według wynalazku korzystnie zawiera także żywicę termoplastyczną ponieważ taka żywica powoduje zwiększenie grubości powłoki smarującej oraz zwiększa odporność na korozję cierną, gdy zostaje nałożona na powierzchnię cierną.

Przykłady użytecznych żywic termoplastycznych obejmują, ale nie są ograniczone do żywic polietylenowych, żywic polipropylenowych, żywic polistyrenowych, żywic polimetyloakrylanowych, żywic kopolimerów styrenu/akrylan, żywic poliamidowych i tym podobnych. Możliwe jest zastosowanie kopolimeru lub mieszanki tych żywic (blend) lub innych żywic termoplastycznych. Gęstość (JIS K7112) żywic termoplastycznych zawiera się korzystnie w zakresie od 0,9 do 1,2. Z uwagi na fakt, że wymagane jest, aby żywica łatwo ulegała deformacji na powierzchni ciernej oraz aby zachowywała płynność, żywica termoplastyczna korzystnie posiada temperaturę odkształcenia termicznego (JIS K7206) w zakresie od 50 do 150°C.

Żywicę termoplastyczną, gdy jest obecna w postaci cząstek w powłoce smarującej, może cechować ulepszona odporność na korozję cierną, ponieważ cząstki wytwarzają efekt smarowania podobny do tego, jaki wytwarza smar stały, gdy jest umieszczony na powierzchni ciernej. Tak więc, żywica termoplastyczna przyjmuje korzystnie postać proszku, w szczególności cząstek o kształcie sferycznym i nie jest rozpuszczalna w rozpuszczalniku organicznym użytym w kompozycji powłoki smarującej. Tak długo jak długo proszek żywicy termoplastycznej może być rozpraszany (dyspergowany) lub zawieszany w rozpuszczalniku, tak długo może w nim pęcznieć.

Korzystne jest gdy proszek żywicy termoplastycznej posiada mikrocząstki o niewielkiej średnicy, co zwiększa lepkość kompozycji a więc i grubość uzyskanej powłoki i poprawia odporność na korozję cierną. Jednakże, cząstki mniejsze niż o średnicy 0,05 mikrometra sprawiają, że kompozycja powłoki smarującej posiada znaczną tendencję w kierunku żelowania, co sprawia, że trudno utworzyć z niej powłokę o jednorodnej grubości. Cząstki o średnicy większej niż 30 mikrometrów trudno umieścić na powierzchni ciernej i łatwo oddzielają się w procesie osiadania lub przepływania kompozycji, co sprawia, że trudno stworzyć jednorodną powłokę. Tak więc, średnica cząstki korzystnie zawiera się w zakresie od 0,05 do 30 mikrometrów, a korzystniej w zakresie od 0,07 do 20 mikrometrów.

[Inne smary]

Kompozycja powłoki smarującej według wynalazku może ponadto zawierać jeden lub wiele smarów innych niż opisany smar zasadowy. Niektóre z nieograniczających przykładów innych smaPL 198 006 B1 rów, które mogą być użyte w prezentowanym wynalazku zawierają sole metali ziem alkalicznych lub sole metali alkalicznych kwasów tłuszczowych, estry syntetyczne, oleje i tłuszcze naturalne, woski i olej mineralny. Włączenie jednego lub wielu innych smarów nie tylko umożliwia obniżenie kosztu wytworzenia kompozycji powłoki smarującej według wynalazku, ale w niektórych przypadkach, umożliwia poprawę jego własności.

Sole metali ziem alkalicznych lub sole metali alkalicznych kwasów tłuszczowych nadają własności podobne do tych, jakie posiada opisany powyżej smar zasadowy, taki jak zasadowy sulfonian, nie mniej nie na takim samym poziomie, ponadto mogą one być włączone do innowacyjnej kompozycji w postaci elementu rozcieńczającego. Z punktu widzenia smarowności i ochrony antykorozyjnej, kwas tłuszczowy korzystnie posiada 12 do 30 atomów węgla. Kwas tłuszczowy może ponadto być mieszaniną kwasu tłuszczowego pochodzącego z oleju naturalnego lub tłuszczowego lub pojedynczym kwasem tłuszczowym. Sól kwasu tłuszczowego jest korzystnie solą wapienną i może być solą obojętną lub solą zasadową.

Ester syntetyczny ma wpływ na wzrost plastyczności żywicy termoplastycznej a jednocześnie zwiększa płynność powłoki smarującej w warunkach wysokiego ciśnienia hydrostatycznego. Dlatego też korzystnie w kompozycji powłoki smarującej według wynalazku obecny jest ester syntetyczny. Trudnotopliwy ester syntetyczny może być użyty do regulacji punktu topienia i twardości lub miękkości uzyskanej powłoki smarującej.

Estry syntetyczne odpowiednie do zastosowania w prezentowanym wynalazku obejmują, ale nie ograniczają się do monoestrów kwasu tłuszczowego, diestrów kwasu dwuzasadowego, estrów kwasu tłuszczowego trimetylopropanu i pentaerytrytu. Przykłady monoestrów kwasu tłuszczowego zawierają monoestry kwasu karboksylowego posiadające od 12 do 24 atomów węgla i wyższych alkoholi o 8 do 20 atomach węgla. Przykłady diestru kwasu dwuzasadowego obejmują diestry kwasu dwuzasadowego posiadające od 6 do 10 atomów węgla i wyższych alkoholi o 8 do 20 atomach węgla. Przykłady kwasu tłuszczowego tworzącego ester kwasu tłuszczowego trójmetylopropanu lub pentaerytrytu to te estry, które posiadają od 8 do 18 atomów węgla.

Ponadto do powłoki smarującej w celu dostosowania jej lepkości można dodać oleje i tłuszcze naturalne takie jak łój wołowy, smalec, lanolina, olej palmowy, olej rzepakowy, olej z orzechów kokosowych; woski takie jak wosk naturalny lub parafina posiadające masę cząsteczkową od 150 do 500; olej mineralny lub syntetyczny olej mineralny posiadające lepkość od 10 do 300 cSt w temperaturze 40°C.

[Dodatek wysokociśnieniowy]

Dodatek wysokociśnieniowy może być obecny w innowacyjnej kompozycji powłoki smarującej, ponieważ zwiększa on odporność na korozję cierną. Nieograniczające przykłady dodatków wysokociśnieniowych obejmują oleje i tłuszcze siarkowane, polisulfidy, fosforany, fosforyny, tiofosforany oraz sole metali kwasu ditiofosforowego.

Przykłady korzystnych olejów i tłuszczy siarkowanych to te składniki, które posiadają zawartość siarki od 5 do 30% wagowych przygotowane przez dodanie siarki do oleju lub tłuszczu zwierzęcego lub roślinnego posiadającego wiązania nienasycone, a następnie podgrzanie.

Polisulfidy obejmują dialkil, diaryl, diaralkyl, dialkylarylo polisiarczki oraz siarkowane olefiny, z których każdy zawiera od 2 do 5 kolejnych grup siarczkowych. Przykłady korzystnych polisulfidów obejmują dibenzylo disulfide disiarczki, di-tert-dodecyl polysulfide polisiarczki oraz di-tert-nonyl polysulfide polisiarczki.

Fosforany, fosforyny, tiofosforany oraz sole metali kwasu ditiofosforowego mogą posiadać następujące wzory chemiczne:

fosforan: (R3O) (R4O) P (=O) (OR₅) fosforyn: (R₃O) (R₄O) P (OR₅) tiofosforan: (R3O) (R₄O) P (=S) (OR₅) sól metalu kwasu ditiofosoforowego:

[((3O) ((6O)P(=S)-S]₂-Me

W powyższych wzorach, każdy z elementów (3 - (6 określa grupę alkilową, grupę cykloalkilową, grupę alkilocykloalkilową, grupę arylową, grupę alkiloarylową lub grupę aryloalkilową, każda z grup posiada do 24 atomów węgla, ewentualnie (4 i (5 mogą oznaczać wodór. Me oznacza molibden (Mo), cynk (Zn) lub bar (Ba).

Szczególnie korzystne przykłady tych składników obejmują tricresyl phosphate i dioctyl phosphate dla fosforanów; tristearyl phosphite, tridecyl phosphite oraz dilauryl hydrogen phosphite dla fosforynów; tridodecyl i tritridecyl thiophosphates oraz trialkylphenyl thiophosphate dla tiofosforanów

PL 198 006 B1 oraz zinc dialkyl dithiophosphate, w których R3 i R₆ są pierwszymi i drugimi grupami alkilowymi posiadającymi od 3 do 20 atomów węgla dla soli metalu kwasu ditiofosforowego.

[Kompozycja powłoki smarującej]

Ilość każdego ze składników kompozycji powłoki smarującej wynalazku nie jest w szczególny sposób ograniczona tak długo jak długo może utworzyć powłokę smarującą, która posiada doskonałą odporność na korozję cierną w czasie zestawiania połączenia gwintowego rur szybu naftowego oraz która nadaje dobre własności antykorozyjne. Jednakże, korzystne ilości każdego ze składników zostały podane poniżej.

Lotny rozpuszczalnik organiczny jest obecny w kompozycji w ilości wystarczającej do rozpuszczenia lub do stworzenia zawiesiny smaru zasadowego, innych smarów i dodatków oraz umożliwiającej nadanie kompozycji odpowiedniej zwilżalności oraz rozprowadzalności po powlekanej powierzchni, ponadto ułatwia absorpcję smaru zasadowego oraz smarów dodatkowych przez powierzchnie połączenia. Jeśli ilość rozpuszczalnika jest zbyt mała, lepkość kompozycji staje się zbyt duża, co zakłóca procedurę powlekania lub utrudnia osiągnięcie odpowiednich opisanych powyżej rezultatów. Z drugiej strony, jeśli ilość rozpuszczalnika jest zbyt duża, otrzymana powłoka staje się zbyt cienka, aby osiągnąć żądaną smarowność i ochronę antykorozyjną. Rozpuszczalnik jest korzystnie obecny w kompozycji powłoki smarującej w ilości od 25 do 80% wagowych a korzystniej od 30 do 70% wagowych.

Ponieważ rozpuszczalnik zasadniczo nie pozostaje w utworzonej powłoce smarującej po etapie suszenia, powłoka smarująca jest zbudowana z pozostałych nie lotnych składników innych niż rozpuszczalnik. Tak więc, ilość każdego ze składników, gdy całkowita ilość składników nie lotnych określona jako 100 części wagowych jest zasadniczo równa ilości każdego składnika w powłoce smarującej. Ilość każdego składnika innego niż rozpuszczalnik jest wyrażona w procentach wagowych bazując na fakcie, że całkowita ilość składników innych niż rozpuszczalnik wynosi 100% wagowych tak, aby wskazać jego zawartość w powłoce suchej.

Smar zasadowy, który pozostaje głównym składnikiem powłoki smarującej według wynalazku zasadniczo zawiera się w przedziale od 10 do 100% wagowych powłoki smarującej. Korzystnie jego zawartość zawiera się w przedziale od 15 do 100% wagowych, korzystniej od 20 do 100% wagowych, a najkorzystniej od 30 do 80% wagowych.

Korzystnym jest także, gdy ilość zasadowego smaru jest wybierana tak, aby uzyskana powłoka smarująca posiadała liczbę zasadową wynoszącą przynajmniej 50 mg KOH/g. Przykładowo, powłoka smarująca zawierająca 20% wagowych zasadowego smaru posiadająca liczbę zasadową 400 mg KOH/g jako jedynego składnika zasadowego będzie posiadała liczbę zasadową 80 mg KOH/g. Tak więc, wraz ze wzrostem liczby zasadowej smaru zasadowego, można obniżyć ilość smaru zasadowego przy zwiększeniu obecności innych smarów.

Żywica termoplastyczna może być obecna w powłoce smarującej w ilości w zakresie od 0 do 30% wagowych. Większa zawartość żywicy, w szczególności w postaci proszku może spowodować znaczące żelowanie, które sprawia, że trudno utworzyć powłokę o jednorodnej grubości. Ilość żywicy termoplastycznej wynosi korzystnie, co najwyżej 20% wagowych, korzystniej co najwyżej 15% wagowych. Aby poprawić odporność na korozję cierną, przez dodanie żywicy termoplastycznej, ilość żywicy termoplastycznej w powłoce smarującej wynosi korzystnie przynajmniej 0,5% wagowego a korzystniej przynajmniej 1% wagowy a najkorzystniej przynajmniej 2% wagowe.

Ilość innych smarów w powłokach smarujących zawiera się korzystnie w zakresie od 0 do 90% wagowych, a korzystniej wynosi co najwyżej 75% wagowych jeszcze bardziej korzystnie wynosi co najwyżej 60% wagowych. Ponieważ inne smary mogą ułatwiać tworzenie jednorodnej powłoki smarującej, korzystne jest, gdy kompozycja zawiera przynajmniej 5% wagowych jednego lub kilku innych smarów. Tak jak wspomniano, gdy zasadowy smar posiada wysoką liczbę zasadową, smarowalność jest zniekształcana w mniejszym stopniu przez dodanie innych smarów w większej ilości.

Ilość dodatku wysokociśnieniowego w powłoce smarującej zawiera się korzystnie w zakresie od 0 do 15% wagowych a korzystnej co najwyżej 10% wagowych. Aby uzyskać efekt poprawy odporności na korozję cierną przez wprowadzenie dodatku wysokociśnieniowego, jest on obecny w ilości przynajmniej 1% wagowego. Jeśli ilość dodatku wysokociśnieniowego jest zbyt duża, może wywierać on odwrotny wpływ od zamierzonego na własności antykorozyjne.

Oprócz opisanych elementów, kompozycja powłoki smarującej według wynalazku może ponadto zawierać jeden lub większą liczbę dodatkowych elementów takich jak przeciwutleniacz, konserwant, dodatek koloryzujący oraz tym podobne dodatki.

PL 198 006 B1

Nie ma żadnych szczególnych granic dotyczących własności takich jak lepkość, liczba zasadowa, (wartość) liczba zmydlenia kompozycji powłoki smarującej według wynalazku niemniej korzystnie własności te znajdują się w następujących zakresach.

Lepkość kompozycji powłoki smarującej mierzona w temperaturze 40°C korzystnie zawiera się w zakresie od 2 do 300 cSt a korzystniej od 3 do 250 cSt. Lepkość poniżej 2 cSt może powodować powstawanie powłoki smarującej, która byłaby zbyt cienka, aby uzyskać odpowiednie własności antykorozyjne. Jeśli lepkość jest wyższa niż 300 cSt, trudne staje się utworzenie powłoki o jednorodnej grubości. Lepkość może być regulowana ilością rozpuszczalnika.

Tak jak zasugerowano powyżej, liczba zasadowa kompozycji powłoki smarującej jest korzystnie taka, aby powłoka smarująca utworzona z tej kompozycji po wysuszeniu (odparowaniu rozpuszczalnika) posiadała liczbę zasadową w zakresie od 50 do 500 mg KOH/g a korzystniej w zakresie od 100 do 500 mg KOH/g. Liczba zasadowa powłoki może być regulowana przez liczbę zasadową i ilość smaru zasadowego oraz innych składników zasadowych, jeśli te występują.

Liczba zmydlenia kompozycji powłoki smarującej jest korzystnie taka, że powłoka utworzona z kompozycji po wysuszeniu posiada liczbę zmydlenia w zakresie od 30 do 100 mg KOH/g. Liczba zmydlenia jest uzależniona od zawartości różnego rodzaju olejów i tłuszczy lub ich pochodnych wykorzystanych w innych smarach, w dodatku wysokociśnieniowym i może być regulowana liczbami zmydlenia i ilościami tych składników. Liczba zmydlenia może wynosić zero, gdy takie składniki nie zostały wprowadzone do kompozycji.

[Nakładanie na połączenie gwintowe rur szybu naftowego]

Wynalazek zostanie opisany w odniesieniu do przykładu wykonania, w którym kompozycja powłoki smarującej według wynalazku została nałożona na typowe połączenie gwintowe rur szybu naftowego. Niemniej kompozycja powłoki smarującej może zostać nałożona na połączenia gwintowe innego rodzaju metalowych rur.

Figura 3 jest schematycznym przekrojem poprzecznym części typowego połączenia gwintowego rur szybu naftowego. Jako 1a oznaczono sworzeń utworzony na krańcu rury szybu naftowego, 2a oznacza skrzynię utworzoną w elemencie łączącym, 3 oznacza zewnętrznie nagwintowaną część sworznia, 4 oznacza wewnętrznie nagwintowaną część skrzyni, 8 oznacza nie nagwintowaną metalową część stykową każdego sworznia 1a i każdej skrzyni 2a, a numer 9 oznacza część progową.

Figura 4 przedstawia w powiększeniu część widoku z fig. 3 pokazując nie nagwintowane metalowe części stykowe 8 oraz obszar sąsiadujący z nagwintowanymi częściami 3, 4 odpowiednio sworznia 1a i skrzyni 2a. Figura ta pokazuje, że w częściach nagwintowanej i nie nagwintowanych metalowych częściach stykowych występują niewielkie szczeliny 10. Na fig. 4, te same elementy, które występują na fig. 3 posiadają takie same oznaczenia numeryczne.

Figury 5 (a), 5 (b) i 5 (c) są powiększonymi schematycznymi przekrojami poprzecznymi powłoki smarującej według wynalazku utworzonej na połączeniu gwintowym rur szybu naftowego, które zostały poddane różnym rodzajom obróbki powierzchniowej, pokazującymi nie nagwintowaną metalową powierzchnię stykową sworznia 1a. Fig. 5 (a) pokazuje przykład wykonania, w którym powłoka smarująca 11 została utworzona na powierzchni 12 sworznia 1a posiadającej stosunkowo niewielką chropowatość powierzchniową uzyskaną przykładowo w obróbce skrawaniem. Fig. 5 (b) pokazuje przykład wykonania, w którym powłoka smarująca 11 została utworzona na chropowatej powierzchni 12 uzyskanej w obróbce piaskowania lub oczyszczania strumieniowo ciernego występującej po obróbce skrawaniem. Fig. 5 (c) przedstawia przykład wykonania, w którym powłoka smarująca 11 została wykonana na powłoce wstępnej 13 o stosunkowo dużej chropowatości, takiej jak powłoce manganowo fosforanowej utworzonej w obróbce konwersji chemicznej, która została utworzona na powierzchni 12 sworznia 1a posiadającej stosunkowo niewielką chropowatość uzyskaną przykładowo w wyniku obróbki skrawaniem. Numer 14 oznacza powierzchnię powłoki wstępnej 13.

Figura 6 przedstawia powłokę smarującą, w taki sam sposób jak ją pokazano na fig. 5 (a) do 5 (c) przykładu wykonania, w którym obie powierzchnie 15 skrzyni 2a i powierzchnia 12 sworznia 1a posiadają powłokę smarującą 11.

W tym szczególnym przykładzie wykonania, skrzynia 2a posiada powłokę wstępną 13, taką jak powłoka manganowo fosforanowa, posiadającą chropowatą powierzchnię 14, na której utworzona jest powłoka smarująca 11.

Tak jak pokazano na fig. 3, typowe połączenie gwintowe rur szybu naftowego zawiera pasujące do siebie sworzeń 1a i skrzynię 2a. Sworzeń 1a posiada odpowiednią powierzchnię zewnętrznie nagwintowanej części 3 oraz nie nagwintowaną powierzchnię stykową 8 utworzoną na zewnętrznej po12

PL 198 006 B1 wierzchni każdej z części krańcowych rury szybu naftowego. Dokładniej, nie nagwintowana metalowa część stykowa 8 jest umieszczona na krańcu rury i biegnie do wnętrza od krańca do nagwintowanej części 3. Podobnie, skrzynia 2a posiada odpowiednią powierzchnię zawierającą wewnętrznie nagwintowaną część 4 oraz nie nagwintowaną metalową część stykową 8 utworzoną po wewnętrznej powierzchni tulejowego nagwintowanego elementu łączącego.

Możliwe jest również utworzenie sworznia na elemencie łączącym oraz skrzyni na krańcu rury szybu naftowego lub utworzenie sworznia na jednym krańcu, a skrzyni na przeciwnym krańcu rury szybu naftowego. Materiał użyty do utworzenia połączenia gwintowego to jest materiał tworzący rurę szybu naftowego i element łączący nie jest krytyczny, niemniej jest to zwykle stal obejmująca stal węglową, stal wysokostopową oraz stal nierdzewną.

Sworzeń i skrzynia pasują do siebie kształtem. Jednakże, jeśli przyjrzeć im się wystarczająco dokładnie, istnieje pomiędzy nimi niewielka szczelina (luz) występująca pomiędzy sworzniem i skrzynią, w szczególności w częściach nagwintowanych, tak jak to pokazano na fig. 4. Jeśli takie szczeliny nie występują i nie wprowadzają luzu, praktycznie niemożliwe jest wykonanie operacji zestawienia połączenia. Smar ciekły może penetrować i wypełniać te szczeliny w wyniku ciśnienia powstającego podczas operacji zestawiania połączenia, wycieka on do obszarów sąsiednich ze szczelin, dzięki czemu w sposób efektywny zapobiega występowaniu zjawiska korozji ciernej. Tak więc, szczeliny te uczestniczą w procesie smarowania. Powłoka smarująca utworzona z kompozycji według wynalazku jest powłoką typu semi-suchego złożoną z mazi takiej, że przejawia zdolności do wyciekania i posiada wspaniałe własności smarownicze ponadto cechuje ją gazoszczelność.

Według wynalazku, powłoka smarująca zostaje utworzona na odpowiedniej powierzchni sworznia i/lub skrzyni przez nałożenie kompozycji powłoki smarującej według wynalazku, po którym to etapie następuje etap suszenia. Nałożenie może zostać zrealizowane przy użyciu dowolnego odpowiedniego sposobu takiego jak malowanie, napylanie i zanurzanie, natomiast suszenie jest realizowane w temperaturze pokojowej lub przy użyciu gorącego powierza o temperaturze do 150°C aż do zasadniczo całkowitego odparowania rozpuszczalnika.

Powłoka smarująca jest korzystnie utworzona na całej odpowiedniej powierzchni, to jest na powierzchni zarówno części nagwintowanej jak i powierzchni nie nagwintowanej metalowej części stykowej sworznia i/lub skrzyni. Jednakże, możliwe również jest, jak i objęte zakresem wynalazku, utworzenie powłoki smarującej tylko na części odpowiedniej powierzchni lub wielu powierzchni. W takim przypadku, korzystnym jest, aby powłoka smarująca została utworzona przynajmniej na części powierzchni nie nagwintowanej metalowej części stykowej, która jest bardziej podatna na zatarcia i korozję cierną niż część nagwintowana.

W opisany sposób można nasmarować jeden lub oba elementy połączenia, sworzeń lub skrzynię. Tak więc w sposób przedstawiony na fig. 5 (a) do 5 (c) można nasmarować tylko skrzynię lub tylko sworzeń. Alternatywnie w sposób przedstawiony na fig. 6 można nasmarować i sworzeń i skrzynię.

Jak opisano poprzednio w odniesieniu do fig. 1, rura szybu naftowego jest często dostarczana wraz z przymocowanym na jednym ze swoich krańców sworznie. W takim przypadku, sworzeń i skrzynia, które mają być ze sobą połączone, jeszcze przed dostawą mogą zostać efektywnie zabezpieczone antykorozyjnie, jeśli tylko na odpowiednich powierzchniach sworznia i skrzyni wykonana zostanie powłoka smarująca według wynalazku. Oczywiście w takim przypadku powleczone mogą zostać zarówno skrzynia jak i sworzeń. Dla innego sworznia i skrzyni, które są otwarte i wystawione na działanie atmosfery zanim rura szybu naftowego zostanie połączona z inną rurą szybu naftowego w miejscu odwiertu, korzystnym jest, aby powłoka smarująca została wykonana zarówno na sworzniu jak i na skrzyni, co zapobiega rdzewieniu tych elementów. W rezultacie, możliwe jest uniknięcie obniżenia smarowności i gazoszczelności spowodowanych występowaniem rdzewienia. Alternatywnie lub dodatkowo, otwarty sworzeń i skrzynia mogą być ochronione przed rdzą przy użyciu substancji ochronnej lub innej znanej techniki. W takim przypadku, powłoka smarująca według wynalazku może zostać utworzona zarówno na sworzniu jak i skrzyni tak, aby uzyskać żądaną smarowność, gdy zestawiane jest połączenie sworznia lub skrzynia z innym elementem.

Figury 5 b) i 5 (c) przedstawiają przykłady wykonania, w których sworzeń jest poddawany obróbce wygładzającej powierzchnię. Taka obróbka może być przeprowadzona także dla skrzyni lub też może zostać wykonana zarówno dla skrzyni jak i sworznia. Element łączący tworzący skrzynię ma znacznie mniejszą długość niż rura tworząca sworzeń, a więc jest on poręczniejszy. Z punktu widzenia prostoty wykonania operacji, korzystne jest wykonanie obróbki wygładzającej powierzchnię tylko dla skrzyni.

PL 198 006 B1

[Grubość powłoki smarującej]

Połączenie gwintowane rur szybu naftowego posiadających powłokę smarującą wykonaną według wynalazku może zapobiegać korozji ciernej nawet w trudnych warunkach smarowania, w których lokalnie do pasujących do siebie powierzchni sworznia i skrzyni przykładane jest niezwykle wysokie ciśnienie powierzchniowe, do tego stopnia wysokie, że ciśnienie to powoduje odkształcenia plastyczne, co spotykane jest w przypadku niecentrycznego zestawienia połączenia gwintowego lub ścięcia połączenia gwintowego, gdy wystąpi niewłaściwe pozycjonowanie łączonych rur lub pomiędzy pasujące powierzchnie przedostanie się ciało obce. Z tego też względu, zagadnieniem krytycznym jest, aby smar został wprowadzony i utrzymany pomiędzy powierzchniami ciernymi (pasującymi do siebie).

Tak więc, kompozycja powłoki smarującej jest nałożona w ilości wystarczającej do wypełnienia szczelin pomiędzy pasującymi do siebie powierzchniami, takimi jak szczeliny pomiędzy zwitkami gwintu pokazane na fig. 4. Jeśli ilość smaru jest zbyt mała, uzyskana semi-sucha powłoka nie będzie posiadać wymaganych własności smarujących, określających, że srnar musi być obecny w szczelinach lub wgłębieniach nieregularności powierzchni otaczających powierzchnie cierne, przedostać się tam w wyniku ciśnienia hydrostatycznego wytworzonego w procesie zestawiania połączenia gwintowanego. Z tego też powodu powłoka smarująca korzystnie posiada grubość przynajmniej 10 mikrometrów, korzystniej przynajmniej 20 mikrometrów. Grubość przynajmniej 10 mikrometrów powłoki smarującej według wynalazku jest ponadto wystarczająca pod względem ochrony antykorozyjnej.

W przypadku, gdy powłoka smarująca została wykonana na powierzchni chropowatej, grubość powłoki smarującej jest korzystnie większa niż wartość Rmax tej powierzchni. Grubość powłoki smarującej w tym przypadku jest określona przez średnią wartość pomiędzy maksymalną i minimalną grubością powłoki utworzonej na powierzchni chropowatej.

Kompozycja powłoki smarującej według wynalazku zawiera rozpuszczalnik ułatwiający jej nałożenie i sprzyjający jednorodnej absorpcji smaru zasadowego i innych smarów. Tak więc, kompozycja posiada relatywnie niewielką lepkość i może utworzyć efektywnie cienką, semi-suchą powłokę. Ponadto, powłoka smarująca zawiera jako główny składnik zasadowy smar taki jak zasadowy sulfonian, który cechuje duża smarowność. Tak więc, odpowiednia smarowność może zostać uzyskana przy zachowaniu stosunkowo cienkiej powłoki. Wykonanie zbyt grubej powłoki nie tylko powoduje utratę smaru, ale stoi w sprzeczności z jednym z celów wynalazku, jakim jest zapobieganie zanieczyszczeniu środowiska. Z tego punktu widzenia, górna granica dla grubości powłoki smarującej korzystnie wynosi około 200 mikrometrów. Korzystniej grubość powłoki smarującej wynosi od 30 do 150 mikrometrów.

[Chropowatość powierzchniowa]

Połączenie gwintowe rur szybu naftowego wytwarzane przy użyciu obróbki skrawaniem typowo posiada chropowatość powierzchniową (Rmax) rzędu od 3 do 5 mikrometrów. Pasujące do siebie powierzchnie połączenia to jest, powierzchnie części nagwintowanych i nie nagwintowane metalowe powierzchnie stykowe sworznia i skrzyni, na których umieszczono powłokę smarującą według wynalazku, korzystnie poddawane są obróbce wstępnej na przykład piaskowaniu tak, aby posiadały zwiększoną chropowatość powierzchniową, co umożliwia dalszą poprawę odporności na korozję cierną powłoki. Wynika to z faktu, że chropowata powierzchnia może utrzymywać smar w niewielkich zagłębieniach i w sposób bardziej efektywny uzyskać opisany powyżej efekt, polegający na wyciekaniu smaru znajdującego się we wgłębieniach na sąsiadującą powierzchnię cierną w wyniku oddziaływania ciśnienia hydrostatycznego wytwarzanego w czasie zestawiania połączenia.

Efekt ten można osiągnąć niezależnie od sposobu obróbki wstępnej nadającej powierzchni odpowiednią chropowatość. Odpowiednia chropowatość powierzchniowa uzyskana po obróbce to chropowatość o Rmax z zakresu od 5 do 40 mikrometrów. Jeśli chropowatość powierzchniowa przekracza 40 mikrometrów, brzegi wgłębień powierzchniowych mogą nie być wystarczająco dokładnie uszczelnione i staje się trudne wytworzenie odpowiedniego ciśnienia hydrostatycznego niezbędnego do uzyskania odpowiedniej smarowności wynikającej z efektu wyciekania smaru. Korzystniej Rmax zawiera się w zakresie od 10 do 30 mikrometrów.

Sposoby od (1) do (5) mogą być wykorzystane do realizacji obróbki wstępnej nadającej większą chropowatość powierzchniową pasującym do siebie powierzchniom sworznia i/lub skrzyni, niemniej istnieje możliwość zastosowania innych sposobów. Z wymienionych sposobów, sposób (1) i (2) obejmują jednorodne usuwanie materiału z powierzchni w celu zwiększenia chropowatości samej powierzchni, tak jak to pokazano na fig. 5 (b). Sposoby (3) - (5) obejmują formowanie spodniej powłoki wstępnej o dużej chropowatości tak jak to pokazano na fig. 5 (c) oraz dla sworznia na fig. 6.

PL 198 006 B1 (1) Piaskowanie lub obróbka strumieniowo cierna: Chropowatość powierzchniowa uzyskana w tym sposobie może być tegulowara przez wielkość cząstek użytych do obtóbki strumieniowo cietrej.

(2) Wytrawianie kwasowe: Zanurzenie w silrym kwasie takim jak kwas siatkowy, kwas solry, kwas azotowy lub kwas fluotowodotowy mogą nadać połączeniu odpowiednią chropowatość.

(3) Fosfotanowanie: Możliwe jest utwotzenie powłoki wstępnej w postaci powłoki konwetsji chemicznej takiej jak powłoka fosfotan magnezu, fosfotan cynku, fosfotan żelazo magnezu, fosfotan cynkowo wapniowy lub podobnej powłoki, któta posiada dużą chropowatość powietzchniową.

(4) Powlekanie galwaniczne: powlekanie galwaniczne metalem, kotzystnie miedzią lub powlekanie galwaniczne żelazem może zostać wykonane w celu uzyskania odpowiedniej chropowatości powietzchni. Powlekany galwanicznie metal jest kotzystnie odłożony na występach powietzchni dzięki czemu powietzchnia staje się nieznacznie batdziej chropowata.

(5) Suche powlekanie uderzeniowe (obtóbka mechaniczna): Ten sposób wykorzystuje cząstki posiadające żelazny tdzeń powleczony metalem lub stopem takim jak cynk lub stop żelazo-cynkowy, któty ma zostać naniesiony. Powlekanie odbywa się ptzy użyciu obtóbki sttumieniowo cietnej, polegającej na wykotzystaniu kolizji cząstek z powietzchnią, ptzy użyciu siły odśtodkowej lub sttumienia powiettza z zamiatem odłożenia metalu powłoki cząstek na powietzchni.

Sposoby obtóbki wstępnej nadającej powietzchni odpowiednią chropowatość są łatwiejsze do ztealizowania w ptzypadku sktzyni, niemniej można je ztealizować także dla swotznia lub mogą być wykonane na obu tych elementach. Sposoby (3), (4) i (5) kotzystnie umożliwiają stwotzenie powłoki wstępnej, któta może zapobiegać bezpośtedniemu kontaktowi pomiędzy swotzniem i sktzynią, gdy powłoka smatująca ulegnie zużyciu, dzięki czemu poptawie ulega zatówno odpotność na kotozję cietną jak i własności antykorozyjne. W szczególności, kotzystna jest powłoka fosfotanowo manganowa, ponieważ wygląda jak dywan tozłożonych ktyształów i ma tendencję do zwiększania chropowatości powietzchniowej. Ponadto cechuje ją wysoka zdolność do uttzymywania smatów. W tezultacie, gdy kompozycja powłoki smatującej według wynalazku zostaje nałożona na fosfotanowo manganową powłokę wstępną, utwotzona może zostać szczególnie efektywna semi-sucha powłoka smatująca. Niektóte matetiały wykotzystane do ptodukcji tut szybu naftowego takie jak stale wysokostopowe ttudno poddają się lub wtęcz niemożliwe jest dla nich wykonanie obtóbki fosfotowania. W takich ptzypadkach, fosfotowanie może zostać wykonane po obtóbce galwanicznej z użyciem żelaza opisanej powyżej w sposobie w punkcie (4).

Gtubość watstwy wstępnej taka jak opisana powyżej jest kotzystnie wyższa niż chropowatość powietzchniowa nadana ptzez powłokę w celu poptawienia zdolności do uttzymania smatów i ptzywietania powłoki do powietzchni podłoża. Kotzystniej, gtubość ta jest o tząd od 5 do 20 mikrometrów większa niż opisana powyżej kotzystna chropowatość Rmax, któta zawieta się w zaktesie od 5 do 40 mikrometrów.

Połączenie gwintowe według wynalazku może być użyte bez powlekania smatem złożonym. W takim ptzypadku, jeśli połączenie gwintowe jest składowane ptzez dłuższy czas, może podlegać ptocesom kotozyjnym. Aby potadzić sobie z tym W ptoblemem, na obu ktańcach tuty szybu naftowego zostają zamontowane elementy łączeniowe tak jak to pokazano na fig. 1, to jest swotzeń na jednym ktańcu tuty szybu naftowego nie jest połączony z elementem łączącym (lewy ktaniec na fig. 1) a ktaniec elementu łączeniowego nie jest połączony z tutą (ptawy ktaniec połączenia na fig. 1), mogą być chtonione ptzez zamontowanie elementów zabezpieczających, z któtych każdy posiada odpowiedni gwint twotzący gazoszczelne połączenie z odpowiednią nagwintowaną częścią tuty lub elementu łączącego.

Poniższe ptzykłady zostały podane w celach ilusttacyjnych i w żaden sposób nie ogtaniczają wynalazku. Osoby o stosownym wykształceniu zauważą, że możliwe jest dokonanie szetegu modyfikacji ujawnionych ptzykładów wykonania, bez natuszania zaktesu wynalazku.

W ptzedstawionych poniżej ptzykładach, smatowność powłoki smatującej została okteślona ptzy użyciu badania wykonanego z zastosowaniem obrotowego ptzytządu do pomiatu tatcia takiego jak ten pokazany na fig. 2. Potwietdzono, że badanie to dobtze odpowiada badaniu mocowania połączenia gwintowego tuty szybu naftowego. W badaniu tym, wykotzystana została pata pasujących do siebie wypukłych i wklęsłych części testowych 5, 6. Wypukła część testowa 5, do któtej można ptzyłożyć tegulowane obciążenie, odpowiada swotzniowi, któty posiada ktaniec w kształcie stożka. Wklęsła część testowa 6, któta może obtacać się z tegulowaną ptędkością, odpowiada sktzyni, któta posiada wgłębienie o kształcie stożkowym odpowiadającym części testowej 5. Dwie części testowe zostały wykonane z takiej samej stali, któtą jest bądź stal Mn (stal węglowa) lub stal 13Ct (stal nietdzewna)

PL 198 006 B1 o składzie przedstawionym w tabeli 1. Oba te gatunki stali są rzeczywiście wykorzystywane do produkcji rur szybu naftowego i elementów łączących. Odpowiadające sobie kształtem powierzchnie 7 części testowych zostały powleczone badaną powłoką smarującą.

Własności antykorozyjne zostały ocenione przy użyciu badania obejmującego napylanie soli określonego w normie JIS Z2371.

Przez dokładne wymieszanie w mieszalniku składników wybranych z tych przedstawionych w tabeli 2 przygotowano wiele różnych kompozycji smarujących. Mieszanie sprawiło, że smar zasadowy prawie całkowicie rozpuszczał się w rozpuszczalniku.

Każda z badanych kompozycji była nakładana w procesie malowania na powierzchnie stykowe dwóch par wypukłych/wklęsłych elementów testowych posiadających chropowatość powierzchniową dostosowaną przy użyciu jednego ze sposobów przedstawionych w tabeli 3, następnie powłoka była suszona w temperaturze pokojowej przez 24 godziny tak, aby z powłoki smarującej całkowicie usunąć rozpuszczalnik.

Jedna para wypukłych/wklęsłych części testowych była używana do określenia smarowności powłoki przez nałożenie obciążenia w opisany poniżej sposób. Powłoka smarująca została utworzona tylko na wklęsłej części testowej, badanie tarcia zostało przeprowadzone w warunkach przedstawionych w tabeli 4 w celu zmierzenia zdolności do przenoszenia obciążeń aż do wystąpienia korozji ciernej (Test smarowności A). Aby zasymulować obniżenie smarowności spowodowane obecnością materiału stałego takiego jak okruchy skalne lub płatki rdzy, co często zdarza się w czasie zestawiania połączenia rur szybu naftowego, to samo badanie powtarza się po dodaniu 50 mg drobin skalnych zebranych z rzeczywistych rur (drobin zawierających cząstki o wielkości od 0,2 do 2 mm oddzielone w procesie przesiewania) do powłoki smarującej wklęsłej części testowej (Badanie smarowności B).

W badaniu tarcia, obciążenia są nakładane w zwiększających się przyrostowo krokach rzędu 100 kilogramów-siły aż do chwili wystąpienia korozji ciernej, maksymalne obciążenie przed wystąpieniem korozji ciernej jest określane jako zdolność do przenoszenia obciążeń. W przypadkach, w których zatarcie było niewielkie a po przeprowadzeniu standardowej obróbki regeneracyjnej możliwe było zestawienie połączenia, badanie tarcia jest kontynuowane. Wartości smarowności pokazane w tabelach 5 i 6 wskazują szereg chwil czasowych, dla których obciążenia wzrastają od zera. Przykładowo, smarowność 10 oznacza, że zdolność do przenoszenia obciążeń wynosiła 1000 kilogramów-siły zanim wystąpiła korozja cierna. Tak więc, jeśli wyniki badania smarowności wynoszą 10 lub więcej, zakłada się, że połączenie gwintowe rur szybu naftowego może zostać zestawione i rozłączone bez powstawania korozji ciernej.

Inna para części testowych w sposób opisany poniżej, została wykorzystana do określenia własności antykorozyjnych. Powłoka smarująca została wykonana zarówno na wypukłej jak i wklęsłej części testowej. Aby zasymulować powstawanie obtłuczenia, które może wystąpić w transporcie rury szybu naftowego na terenie fabryki lub na stanowisku wydobywczym, dwie części testowe zostały umieszczone w urządzeniu do badania tarcia tak, że ich osie podłużne lub osie obrotu były przesunięte w kierunku poziomym o 1 mm względem siebie, a następnie zostały dociśnięte do siebie jednokrotnie z siłą o wartości 500 kilogramów-siły. Następnie części testowe zostały rozdzielone i ponownie zestawione w urządzeniu do prowadzenia badania w taki sposób, że ich osie podłużne lub osie obrotu są względem siebie ułożone zgodnie, następnie elementy te zostały poddane badaniu polegającemu na natryskiwaniu soli trwającemu 240 godzin w celu określenia własności antykorozyjnych w badaniu wzrokowym pasujących do siebie powierzchni części testowych.

O: nie zaobserwowano rdzy ani odbarwienia;

□ : nie zaobserwowano rdzy i niewielkie odbarwienia (akceptowalne);

Δ: zaobserwowano niewielkie zmiany korozyjne;

X: zaobserwowano znaczne zmiany korozyjne.

Tabele 5 i 6 pokazują kompozycje powłoki smarującej według wynalazku (proporcje składników zostały przedstawione w procentach wagowych), liczbę zasadową oraz lepkość zmierzoną przy temperaturze 40°C dla każdej kompozycji, grubość w stanie suchym utworzonej z niej powłoki (obliczona na zasadzie wzrostu masy części testowej i gęstości powłoki testowej) chropowatość powierzchniową każdej części testowej oraz wyniki testów smarowności i właściwości antykorozyjnych. Tabela 7 pokazuje te same wielkości dla próbek porównawczych i przykładów konwencjonalnych.

Z konwencjonalnych przykładów z tabeli 7, konwencjonalne przykłady 1,2 i 4 były przykładami, w których zastosowano złożony smar (Shell Typ III) odpowiadający normie API, który został nałożony przed próbą, w przykładach zaznaczono, że wystąpiło uzupełnienie, smarem złożonym było prowa16

PL 198 006 B1 dzone za każdym razem, gdy wzrastało obciążenie w próbie smarowności lub w odpowiednich odstępach czasowych w badaniu własności antykorozyjnych. Złożony smar został nałożony i uzupełniony w ilości zalecanej dla danego produktu. Konwencjonalny przykład 3 był przykładem powłoki smarującej zawierającej smar stały umieszczony w żywicy, to jest stałej powłoki zawierającej smar i żywicę, takiej jak ujawniona w japońskim opublikowanym niezbadanym zgłoszeniu patentowym numer 8-233164 (1996).

T a b e l a 1

Skład stali, z których wykonano części testowe (% wagowe, pozostałość żelazo i zanieczyszczenia)

Nr	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	Nazwa
1	0,24	0,30	1,30	0,02	0,01	0,04	0,07	0,17	0,04	Stal Mn
2	0,19	0,25	0,80	0,02	0,01	0,04	0,1	13,0	0,04	Stal 13Cr

T a b e l a 2

Materiały użyte do przygotowania kompozycji powłoki smarującej

Rozpuszczalnik	A-1	Benzyna lakowa (JIS K2201 4)
A-2	Ksylen
A-3	Butyl cellosolve
Smar zasadowy	B-1	Zasadowy sulfonian Ca (1. z : 400 mg KOH/g)
B-2	Zasadowy sulfonian Ba (1. z : 100 mg KOH/g)
B-3	Zasadowy salicylan Mg (1. z : 150 mg KOH/g)
B-4	Zasadowy fenolan Ca (1. z : 400 mg KOH/g)
Proszek żywicy termoplastycznej	C-1	Proszek polietylenowy (śr. cz. : 20 pm)
C-2	Proszek żywicy akrylowej (śr. cz. : 2 pm)
C-3	Proszek żywicy styrenowej (śr. cz. : 0,2 pm)
Dodatek wysokociśnieniowy	D-1	Siarkowany smalec (S: 10%, 1. zm: 180 mg KOH/g)
D-2	Dilauryl hydrogen phpsphate
D-3	Zinc Dialkyl dithiophpsphate (Zn: 8% P:9% S: 17%)
Inny smar	E-1	Beef tallow fatty acid Ca soap (1. zm: 20 mg KOH/g)
E-2	Obojętny sulfonian Ca (1. z : 1 mg KOH/g)
E-3	Trimethylolpropane trioleate (1. zm: 160 mg KOH/g)
E-4	Lanolina (1. zm: 100 mg KOH/g)
E-5	Oczyszczony olej mineralny (ISO VG46)

Uwagi:

.z: liczba zasadowa, 1.zm: liczba zmydlenia śr. cz.: średnica cząstki

T a b e l a 3

Chropowatość powierzchniowa części testowych

Znak	Rmax (pm)	Sposób nadawania chropowatości powierzchniowej
1	2	3
F-1	3	po obróbce skrawaniem (bez zwiększania chropowatości)
F-2	5	Powlekanie galwaniczne miedzią
F-3	20	Piaskowanie
	22	Piaskowanie + powlekanie galwaniczne miedzią

PL 198 006 B1 cd. tabeli 3

1	2	3
F-4	10	Fosforanowanie cynkiem
F-5	20, 25	Fosforanowanie manganem
	35, 40	Piaskowanie + fosforanowanie manganem
F-6	30	Obróbka strumieniowa (napylanie cynku) na stal Mn
	25	Obróbka strumieniowa (napylanie cynku) na stal 13Cr

T a b e l a 4

Warunki badania na obrotowym przyrządzie do mierzenia tarcia

Obciążenie	Stopniowe zwiększanie o 100 kilogramów siły w każdym etapie
Temperatura	Temperatura pokojowa
Czas trwania badania	30 sekund dla każdego obciążenia
Liczba obrotów	20 obr/min
Powłoka smarująca	Nałożona tylko na wklęsłą część testową
Badanie A	Badanie normalne (bez drobin skalnych)
Badanie B	Badanie z wprowadzeniem drobin skalnych

PL 198 006 B1

Tabela 5:

Przykład Seria	Przykład numer: połączenie ze stali węglowej (Mn)
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Kompozycja powłoki smarującej (procenty wagowe)	A-l	50	50	50	50	60	60	60	50		50	20
A-2									30		30
A-3					10	10	10	10
B-l	25				5				25		25
B-2		25				5			10
B-3			25				5			10
B-4				25				15		25
C-l
C-2
C-3											0, 5
D-l		1				2		5
D-2			2							3
D-3		2					1
E-l	10	10					4				10
E-2							5			12
E-3	10		13	10	5		10		10	20	10
E-4		3		10	5	10			10	5	4,5
E-5	5	9	10		10	13	5	2	10
Liczba zas^c^c^wa	200	50	125	150	67	167	31	113	110	250	200
Lepkość1	4,0	4,3	3,8	3,9	3,2	3, 5	3,7	3,6	16	6,5	84
Grubość	20	25	30	10	40	60	25	30	15	40	100
Chropowatość powierzchniowa (Rmax pm) testowej części wypukłej	F-l	3	3	3	3					3	3
F-2
F-3
F-4					10	10	10	10			10
F-5
F-6
Chropowatość powierzchniowa (Rmax μπι) testowej części wklęsłej	F-l									3
F-2				5
F-3		20	20				20				20
F-4
F-5	20					40		20		35
F-6					30
Smarowność A	15	15	15	15	14	13	13	14	14	14	17
Smarowność B4	11	11	11	11	11	10	10	11	10	10	13
Własności antykorozyjne	O	O	O	O	O	O	□	O	O	O	O

Uwagi:

¹ Lepkośćwtemp. 40°C (cSt lub mm²/s);

² Grubość powłoki (gm);

³ Obciążenie dopuszczalne w normalnym badaniu (x 100 kilogramów siły);

o Obciążenie dopuszczalne w obecności drobin skalnych (x 100 kilogramów siły);

PL 198 006 Β1

Tabela 6:

Przykład Seria	Połączenie ze stali węglowej (Kn)	Połączenie ze stali nierdzewnej !13Cr)
12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
g Cn sQ 3 U £ i) u O w CL •n 0/ υ nr •r-3 3 W (3 (Λ -rł Λί O rM Z O CL ns •n O ΓΜ O CL & O W	A-l	50		20	25	40		40	40	50	40
A-2		30	10	10		30
A-3		10	10
B-l		20		25			20		20
B-2	25		2 5
3-3					20	10				20
B-4		10				25		30
C-l			2		4			1		5
C-2	0, 5		1	3					10
C-3		10		1
D-1				2	2					2
D-2				1	3
D-3								4		2
E-i	10						10
E-2 _			5				10
10		10		15		10	20	20	10
E-4	4,5		7				10	25		5
E-5		20	10	33	16					16
Liczba zasadowa	50	183	42	154	83	143	133	50	160	100
Lepkość^	67	250	144	182	132	15	7,8	115	238	166
Grubość^	80	300	150	180	120	25	35	80	200	150
•n qj m 3 'e Ό 3 O ‘W O V u O -Η W η •u d o> ?! d Ć -Ρ r 3 υ ę Q M — Λ Q< L S d ' > S 2 « ag o	F-l					3	3	3		3	3
F-2								£	5
F-3			20	20
F-4	10	10
F-5
F-6
3 £ ? q « o -u o ή cn p c ty r « £ P u OM—4 CL Ρ i O fi) 3 Π u .η £ ϊ X oj, u o S ag 3	F-l				3
F-2									5
F-3					20	22		22
F-4
F-5	25	40	20
F-6							25			25
Smarowność AJ	15	15	15	15	16	14	13	16	14	15
Smarowność B4	12	12	12	12	13	10	10	12	11	12
Własności antykorozyj ne	O	O	□	O	O	O	O	O	O	O

Uwagi:

¹ Lepkość w temp. 40°C (cSt lub mm²/s);

² Grubość powłoki (gm);

³ Obciążenie dopuszczalne w normalnym badaniu (x 100 kilogramów siły);

⁴ Obciążenie dopuszczalne w obecności drobin skalnych (x 100 kilogramów siły);

PL 198 006 B1

Tabela 7:

Seria	Próbka porównawcza nr (połączenie ze stali Mn)	Próbka konwencjonalne nr
1	2	3	4	1	2	3	4
4 5 O O C £ >1 •U c ω υ o u CU ro υ -i-1 3 fi (0 e w •—i ,« 0 i-V- 3 O a f3 •~i υ >1 0 a e o 6	A-l		50			>t	>1 •M ni P O fi <e E C	N '£ 3 u o 75 p -u w 5 3 > o ĆJ >i w 25 ? -!Λ 8 aj	> lit fi P O M fi E w
A-2				30	fi P O
A-3				10	M fi E co
0-1			20
B-2	50					H d * £ < r— fj «i B P «Ul O £	c X fi P co	«4 H o łŁ i d ł—t H E TJ fi p 0 co c;
B-3					-i d a& <
B-4
c-i			5		'«i i P> w 00 o
C-2					£
C-3				3
D-l					>.	fi	fi	> 3 P O p ni 3 e O 3 -f Cj fi fi fi 3 •c O c Uh fi a ΰ N fi to
D-2		2			P 03 u
C-1				2	fi 3	3 p S «- .3 § 1 .§ S
E-l					S Φ 3 -H Cl	5 « n. > n > 3 P 3 P 3 fi . fi 3 * CQ	U >. CU 3 3 3 p fi p fi Φ 3 Φ 3 a
E-2		30		25	fi B -- O cj
E-3	10	10			rM O CU
E-4		8		10	P N fi
E-5	40		75	20	iS3
Liczba zasadowa	50	<1	80	<1	-		__	-
Lepkość	349	3, 8	523	134		-		-
lilii - , Grubość	350	25	450	120	850	S50 30	850
3 0 j u 3 0 iJ •-o o p £f Q ·Η O j «- a tu F r fi u 3 0 ? Ο Ν — 3 CU M E . o o 3- Π C S X ® C S B ® a<§ u	E-l	3		3		3	3	3	3
E-2
E-3
F-4		10		10
E’-5
F-6
fi O ± U 3 O ± -OOP * o -H « £ p fi o £ m ri p 2 2 0 ·$ 0 N r-. * & M £ -H o fi 3. n £ c; 3 X £ u ° Sn a S υ	E-l			3
E-2	20
E-3								22
E-4
E-5		20		20	25	25	20
E-6
,- Smarownosc A	8	4	9	7	15	8	10	14
Smarowność B*	6	3	Ί	5	11	5	5	10
Własności antykorozyjne	Δ	X	O	Δ	O	_*	Δ	o

Uwagi:

¹ Lepkośćw temp. 40°C (cSt lub mm²/s);

² Grubśść kśwłśki (pm);

³ Obciążenie dśpbszczalne w nśrmalnym badaniu (x 100 kilśgramów siły);

o Obciążenie dś.bszszalnp w śbmsnśśsi drśbin skalnych (x 100 kilśgramów siły); * Nie śkreślśne

PL 198 006 B1

Tak jak to pokazano w konwencjonalnych przykładach w tabeli 7, w przypadku smaru stałego, jeśli uzupełnienie smaru stałego zostało przeprowadzone uważnie, tak jak to miało miejsce w przypadku konwencjonalnych przykładów 1 i 4, smarowność i własności antykorozyjne są dobre, smarowność została zagwarantowana do takiego stopnia, że zestawianie połączenia gwintowego rur szybu naftowego może odbywać się bez występowania korozji ciernej nawet w obecności drobin skalnych. Jednakże, w konwencjonalnym przykładzie 2, w którym nałożenie dodatkowego smaru stałego nie zostało wykonane, smarowność jest znacznie gorsza i łatwo powstaje korozja cierna, w szczególności w obecności drobin skalnych. Tak więc, w przypadku zastosowania smaru stałego, aby zachować dobrą smarowność niezbędne jest wykonanie kłopotliwej operacji uzupełniania warstwy smaru.

W konwencjonalnym przykładzie 3 przedstawionym w tabeli 7, zbadano powłokę stałą zawierającą żywicę i smar w przypadku nie uzupełniania warstwy smaru, tak jak w przypadku przykładów i próbek porównawczych. Jak widać z wyników, smarowność była na poziomie ledwie akceptowalnym w warunkach normalnych, gdy próbę przeprowadzano przy braku drobin skalnych, ale uległa znaczącemu pogorszeniu, gdy próbę przeprowadzono w obecności drobin skalnych. Tak więc, powłoka nie mogła zapewnić wystarczającej smarowności umożliwiającej rzeczywiste wykorzystanie w przypadku gwintowego połączenia rur szybu naftowego. Ponadto, posiada ona niewystarczające własności antykorozyjne. Tak więc, oczywistym jest, że nieelastyczne stałe powłoki smaru i żywicy posiadają gorsze własności antykorozyjne, gdy powłoka jest uszkodzona oraz posiadają obniżoną smarowność, gdy w powłoce znajdują się drobiny rdzy i materiału skalnego.

Przeciwnie, jak widać z tabeli 5 i 6 przedstawiającej przykłady, w których powłoka smarująca została wykonana z kompozycji według wynalazku oraz została przebadana bez nakładania smaru stałego, uzyskano doskonałe własności antykorozyjne oraz dobrą smarowność odpowiadające temu samemu poziomowi, jaki uzyskano przy użyciu konwencjonalnego smaru stałego przy uzupełnianiu warstwy smaru stałego (konwencjonalne przykłady 1, 4). Tak więc, nawet w obecności drobin skalnych, odporność na korozję cierną może zostać zagwarantowana w przypadku rur szybu naftowego wykonanych nie tylko ze stali węglowych, ale także ze stali nierdzewnej, która jest bardziej podatna na korozję cierną, bez konieczności nakładania uzupełniającej warstwy smaru stałego.

Każda z kompozycji powłok smarujących przygotowana w przykładach została nałożona na rzeczywiste połączenie gwintowe rur szybu naftowego i poddane ono zostało powtarzającym się dziesięciokrotnie operacjom zestawiania i zwalniania. Moment zestawiający był stabilny przy największych odchyleniach sięgających 10 procent.

Według wynalazku, możliwe jest nadanie doskonałej smarowności i własności antykorozyjnych połączeniu gwintowemu rur szybu naftowego, w takim samym zakresie, jaki uzyskano przez nałożenie smaru stałego, któremu towarzyszyła operacja uzupełniania warstwy smaru. Tak więc, odpowiednia smarowność i własności antykorozyjne mogą zostać zagwarantowane bez konieczności nakładania smaru stałego nawet w warunkach, w których występują problemy z montażem lub występuje odkładanie się cząstek pozostałych po operacji oczyszczania strumieniowego lub drobin skalnych lub rdzy. W rezultacie, w sposób znaczący można poprawić efektywność łączenia rur szybu naftowego przy użyciu połączenia gwintowego, przy jednoczesnym uniknięciu zanieczyszczenia środowiska występującego podczas stosowania składników smaru stałego zawierających metale ciężkie.

Osoby o stosownym wykształceniu zauważą, że możliwe jest wykonanie szeregu zmian i modyfikacji opisanego powyżej wynalazku względem określonych przykładów wykonania, bez naruszania zakresu wynalazku.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kompozycja powłoki smarującej zawierająca zasadniczo (A) 25 - 80% wagowych lotnego rozpuszczalnika organicznego oraz (B) 75 - 20% wagowych przynajmniej jednego składnika nielotnego, znamienna tym, że 100 części wagowych składnika nielotnego (B) zawiera zasadniczo od 10 do 100 części wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego z zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów, który jest przynajmniej częściowo rozpuszczony w rozpuszczalniku (A), od 0 do 30 części wagowych żywicy termoplastycznej, od 0 do 90 części wagowych smaru innego niż smar zasadowy oraz od 0 do 15 części wagowych dodatku czynnika wysokociśnieniowego.

   PL 198 006 B1
2. 2. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że żywica termoplastyczna ma postać proszku, który jest nierozpuszczalny w rozpuszczalniku.
3. 3. Powłoka smarująca dla połączenia gwintowego rur metalowych, znamienna tym, że zawiera przynajmniej 10% wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego spośród zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów.
4. 4. Powłoka smarująca według zastrz. 3, znamienna tym, że jeden zasadowy smar ma liczbę zasadową przynajmniej 50 mg KOH/g.
5. 5. Powłoka smarująca według zastrz. 3, znamienna tym, że zawiera też żywicę termoplastyczną.
6. 6. Powłoka smar^ąca według zas^z. 5, znamienna tym, że żywica rer·moplastyczna ma postać proszku.
7. 7. PowłokasmanTąca według zas^z. 3, znamienna tym, że zawieea przyna-mniej j eden dodatek wybrany z grupy zawierającej smar inny niż smar zasadowy i dodatkowy czynnik wysokociśnieniowy.
8. 8. Powłoka smar^ąca według zas^z. 3, znamienna tym, że przeznaczona r ^ess do pouczenia gwintowego rur metalowych a zwłaszcza dla metalowych rur szybu naftowego.
9. 9. Powłoka smarująca według zassi^. 3, znamienna tym, że powierzchnia części na których utworzono powłokę smarującą posiada powierzchniową chropowatość, Rmax, w zakresie 5-40 mikrometrów.
10. 10. Sposóbsmarowania po-ączeniagwintowego dla ιχιγ metalowychzawieta-ącegopasujące do siebie sworzeń i skrzynię, sworzeń posiada zewnętrznie nagwintowaną część oraz metalową nie nagwintowaną część stykową, skrzynia posiada wewnętrznie nagwintowaną część oraz metalową nie nagwintowaną część stykową, znamienny tym, że nakłada się kompozycję powłoki smarującej przynajmniej na pewnym obszarze części nagwintowanej i/lub metalowej nie nagwintowanej części stykowej przynajmniej jednego z elementów połączenia sworznia lub skrzyni, potem suszy się i odparowuje się rozpuszczalnik, przy czym powłoka smarująca zawiera przynajmniej 10% wagowych przynajmniej jednego zasadowego smaru wybranego spośród zasadowych sulfonianów, zasadowych salicylanów oraz zasadowych fenolanów a przynajmniej jeden zasadowy smar ma liczbę zasadową przynajmniej 50 mg KOH/g i powłoka smarująca ponadto zawiera żywicę termoplastyczną.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że metalowa rura jest rurą szybu naftowego.
12. 12. Sposób łączenia obetmujący łączenie ze sobą wielu metalowych rur, bez konieczności nakładania smaru stałego, przy użyciu połączenia gwintowego, które zostało nasmarowane sposobem określonym w zastrz. 10.
13. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że metalowe rury są rurami szybu naftowego.