PL199832B1

PL199832B1 - Połączenie gwintowe rur stalowych

Info

Publication number: PL199832B1
Application number: PL366939A
Authority: PL
Inventors: Toshiro Anraku; Kunio Goto; Keishi Matsumoto; Shigeo Nagasaku
Original assignee: Sumitomo Metal Ind; Vallourec Mannesmann Oil & Gas
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2008-11-28
Also published as: WO2003010460A1; JP2003042353A; RU2004105592A; EP1411288A4; MXPA04000603A; JP3870732B2; CA2454336C; CN1240957C; EP1411288A1; RU2262029C2; BR0211399A; BR0211399B1; PL366939A1; US20040195825A1; RO121535B1; MY139542A; CA2454336A1; CN1529798A

Abstract

Wynalazek dotyczy po laczenia gwintowego rur stalowych, umo zliwiaj ace realizacj e szczelnego po la- czenia metal-metal i które poddawa c mo zna wielo- krotnie operacji dokr ecania oraz luzowania bez za- stosowania p lynnego smaru zawieraj acego sprosz- kowane metale ciezkie. Po laczenie to obejmuje swo- rze n oraz tulej e, z których ka zde dysponuje po- wierzchni a stykow a, w której wyró zni c mo zna czesc gwintowan a oraz nie gwintowan a metalow a czesc stykow a. Powierzchnia stykowa przynajmniej jedne- go elementu sworznia lub tulei powlekana jest war- stw a podk ladow a oraz wierzchni a warstw a pow loki smarujacej. Warstw e podk ladow a stanowi pow loka porowatego metalu o porowato sci rz edu 5-80% oraz grubo sci 1000-30000 nm oraz korzystnie twardo sci a 50-250 Hv. Warstw e pow loki smaruj acej stanowi sta la pow loka smaruj aca lub p lynna pow loka smaru- j aca, przy czym w drugiej brak zasadniczo sprosz- kowanych metali ci ezkich. Ca lkowita grubo sc war- stwy podk ladowej oraz warstwy pow loki smaruj acej wynosi najwy zej 100000 nm. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest połączenie gwintowe rur stalowych, do łączenia rur wykorzystywanych w odwiertach naftowych. Wynalazek dotyczy w szczególności połączenia gwintowego rur stalowych, które nie wymaga zastosowania smaru mieszanego zawierającego sproszkowane metale ciężkie, jaki wykorzystywano w przypadku tradycyjnych rozwiązań przed każdym dokręcaniem elementów jako zabezpieczenie przed korozją cierną. Połączenie gwintowe według wynalazku cechuje wysoka odporność na korozję cierną oraz właściwość przeciwdziałania rdzy.

Rury w odwiertach naftowych, które stanowią rury stalowe stosowane podczas wiercenia szybów naftowych, łączone są między sobą z pomocą połączeń gwintowych rur stalowych o konstrukcji sworzeń-tuleja, w której wyróżnić można sworzeń z gwintem wewnętrznym oraz tuleję z gwintem zewnętrznym. Zgodnie z tym, co przedstawiono schematycznie na fig. 1, gwint wewnętrzny 3A wykonany jest zwykle na powierzchni zewnętrznej na obu końcach rury stalowej A, która tworzy tym samym sworzeń 1, zaś gwint zewnętrzny 3B wykonany jest zwykle na powierzchni wewnętrznej na obu końcach odrębnego elementu łączącego w postaci złączki B w kształcie rękawa, która tworzy tym samym tuleję 2. Zgodnie z tym, co pokazuje fig. 1, stalowa rura A dostarczana jest zwykle już ze złączką B przyłączoną do jednego jej końca.

Tego rodzaju połączenie gwintowe rur stalowych podlega siłom rozciągania działającym wzdłuż osi, a spowodowanym przez ciężar stalowej rury oraz złączki, jak również złożonym siłom nacisku, w tym naciskowi wewnę trznemu oraz zewnę trznemu pod ziemią , a wreszcie naraż one jest ono na działanie wysokich temperatur pod ziemią. Połączenie takie nie powinno przepuszczać powietrza (szczelność), by nie ulegać uszkodzeniom nawet w tak trudnych warunkach.

Co więcej, w czasie obniżania rur wykorzystywanych w odwiertach naftowych często dochodzi do poluzowania połączenia, jakie zostało uprzednio utworzone oraz do ponownego jego dokręcania. Dlatego też zgodnie z wytycznymi American Petroleum Institute (API) wymagane jest wyeliminowanie wad wywołanych przez korozję cierną oraz zachowanie szczelności nawet wówczas, gdy konieczne będzie dziesięciokrotne wyeliminowanie luzów w przypadku połączeń rur oraz trzykrotne w przypadku połączeń obudowy, które charakteryzują się większą średnicą.

W ostatnim czasie dokonywano prób zwiększenia szczelności połączeń tego rodzaju, stosując specjalne gwintowe połączenia umożliwiające szczelne połączenie metal-metal. W przypadku połączeń tego rodzaju, jak pokazuje fig. 2, na końcu sworznia 1 z gwintem wewnętrznym 3A oraz we wnętrzu tulei 2 z dopasowanym gwintem zewnętrznym 3B zastosowano nie gwintowane metalowe części stykowe 4A oraz 4B. Po połączeniu, co widoczne jest na fig. 2, części gwintowane 3A i 3B oraz nie gwintowane metalowe części stykowe 4A oraz 4B tworzą razem powierzchnię stykową między sworzniem 1 a tuleją 2. Nie gwintowane metalowe części stykowe 4A oraz 4B sworznia 1 oraz tulei 2 tworzą część szczelnego połączenia metal-metal, tym samym zwiększając szczelność całego połączenia.

W gwintowych połączeniach tego rodzaju, umożliwiających szczelne połączenie metal-metal, stosowany jest płynny smar o wysokiej wydajności, określany mianem smaru mieszanego, który zapobiegać ma korozji ciernej powierzchni stykowych, a w szczególności nie gwintowanych metalowych części stykowych. Smar ten nanoszony jest na powierzchnię stykową przynajmniej jednego z elementów - sworznia lub tulei - przed przystąpieniem do ich dokręcania.

Niemniej smar tego rodzaju zawiera znaczne ilości szkodliwych sproszkowanych metali ciężkich; wówczas, gdy smar wyciskany jest na zewnątrz w trakcie dokręcania elementów, należy go usunąć z pomocą środka czyszczącego.

Smar wraz ze środkiem czyszczącym przedostają się wówczas do oceanu lub do gleby, powodując skażenie środowiska, co uznano za istotny problem. Co więcej, problemem jest również to, że proces czyszczenia oraz nanoszenia smaru, co powtarzało się przed każdą operacją łączenia elementów, wpływał na obniżenie wydajności robót.

Gwintowe połączenia rur stalowych nie wymagające zastosowania smaru mieszanego ujawniono w następujących publikacjach: JP-A 08-103724, JP-A 08-233163, JP-A 08-233164 oraz JP-A 09-72467, gdzie zaprezentowano gwintowe połączenia, w których na część gwintowaną oraz nienagwintowaną metalową część stykową (to jest na powierzchnię stykową) przynajmniej jednego z dwóch elementów - sworznia oraz tulei - nanoszona jest stała powłoka smarująca, w skład której wchodzi żywica jako spoiwo oraz disiarczek molibdenu lub disiarczek wolframu jako smar w postaci stałej.

Zgodnie z powyższymi japońskimi publikacjami, aby zwiększyć przylepność między stałą powłoką smarującą a stalowym podłożem, jako warstwę podkładową pod stałą powłoką smarującą zaPL 199 832 B1 stosowano warstwę powlekającą wykonaną na drodze konwersji chemicznej z zastosowaniem fosforanu manganu lub połączenie warstwy azotku oraz warstwy powlekającej na bazie fosforanu manganu albo zwiększono nieregularność powierzchni stykowej do wartości R_max 5-40 μπ.

W publikacji JP-A 08-105582 ujawniono zastosowanie powlekającej warstwy azotku, warstwy żelaza lub warstwy stopu żelaza oraz stałej powłoki smarującej na połączeniu gwintowym rur stosowanych w odwiertach naftowych, a wykonanych ze stali nierdzewnej o zawartości przynajmniej 10% Cr.

W przemyśle naftowym stale zwiększa się głębokość odwiertów, nierzadko temperatura rur stosowanych w tak głębokich szybach sięga 150-250°C. Niemniej, stosowane tradycyjnie połączenia gwintowe stalowych rur, umożliwiające szczelne połączenie metal-metal i nie wymagające zastosowania smaru mieszanego w wyniku uformowania stałej powłoki smarującej na powierzchniach stykowych, nie mogą się odznaczać równie wysoką odpornością na korozję cierną, co w przypadku zastosowania smaru mieszanego.

Do wad spowodowanych korozją cierną, określanych ogólnie korozją cierną, dojść może przy tym, gdy luzowanie oraz ponowne dokręcanie elementów powtarzane jest zaledwie kilka razy. Co więcej, w sytuacji, gdy gwintowe połączenie tego rodzaju narażone jest na działanie wysokiej temperatury, łatwo dochodzi do zdarcia stałej powłoki smarującej, w wyniku czego zabezpieczenie przed korozją cierną ulega zniszczeniu.

Powłoki trójwarstwowe, przedstawione w publikacji JP-A 08-105582, charakteryzują się skomplikowanym procesem obróbki, co zwiększa ich koszt. Co więcej, między podłożem ze stali nierdzewnej oraz powłoką na bazie żelaza dochodzi do korozji galwanicznej, co prowadzi do obniżenia odporności połączenia na korozję.

Celem niniejszego wynalazku jest przedstawienie gwintowego połączenia rur stalowych, umożliwiającego szczelne połączenie metal-metal, charakteryzującego się wysoką odpornością na korozję cierną - i to pomimo tego, że jest to gwintowe połączenie wykonane ze stali wysokochromowej, która stosunkowo łatwo ulega korozji ciernej - a ponadto pozwalającego uniknąć korozji ciernej oraz obniżenia szczelności po wielokrotnym luzowaniu oraz dokręcaniu połączeń, bez konieczności zastosowania płynnego smaru zawierającego sproszkowane metale ciężkie jak w przypadku smaru mieszanego, a wreszcie znajdującego zastosowanie w odwiertach naftowych w warunkach wysokich temperatur, jakie panują w głębokich szybach naftowych.

W przeszłości sposobem na zwiększenie przylepności stałej powłoki smarującej było zapewnienie szorstkiego podłoża poprzez obróbkę maszynową, powlekanie fosforanami lub z wykorzystaniem innych sposobów. Niemniej zwiększanie przylepności stałej powłoki smarującej ma również swoje granice, będąc uzależnione od efektu kotwienia dla nieregularności podłoża, a to ze względu na wyraźną granicę między stałą powłoką smarującą a podłożem.

W szczególności w wysokiej temperaturze 200°C lub więcej, ze względu na różnice w zakresie rozszerzalności cieplnej między żywicą stałej powłoki smarującej a stalą podłoża dojść może łatwo do złuszczenia się powłoki na granicy między stałą powłoką smarującą a stalowym podłożem, co prowadzi do obniżenia odporności na korozję cierną.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem warstwę podkładową wykonano z metalu porowatego, dzięki czemu stała powłoka smarująca wnikać może w całą warstwę podkładową, co pozwala wyeliminować zjawisko wyraźnego podziału między warstwami, o którym mowa była powyżej.

Uformowanie stałej powłoki smarującej na wierzchu porowatej metalowej warstwy podkładowej pozwala na uzyskanie wysokiej przylepności stałej powłoki smarującej nawet w wysokich temperaturach oraz wysoką odporność na korozję cierną. Taką samą wysoką odporność na korozję cierną uzyskać można wówczas, gdy zamiast stałej powłoki smarującej stosowana jest płynna powłoka tego rodzaju.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest połączenie gwintowe rur stalowych obejmujące sworzeń oraz tuleję, z których każde dysponuje powierzchnią stykową, w którym wyróżnić można fragment gwintowaną oraz nie gwintowaną część metalowej powierzchni stykowej, przy czym rozwiązanie to odznacza się tym, że powierzchnia stykowa przynajmniej jednego z dwóch elementów - sworznia lub tulei - powlekana jest metalową warstwą podkładową oraz nanoszoną na nią powłoką smarującą, przy czym warstwa podkładowa charakteryzuje się porowatością na poziomie 5-80% oraz grubością 1-30 μπ, zaś powłokę smarującą stanowi stała powłoka smarującą lub płynna powłoka smarująca nie zawierająca zasadniczo sproszkowanych metali ciężkich, przy czym łączna grubość warstwy podkładowej oraz warstwy powłoki smarującej wynosi najwyżej 100 μπ. Warstwa podkładowa odznacza się korzystnie twardością rzędu 50-250 Hv.

PL 199 832 B1

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie typowy układ stalowej rury oraz gwintowanej złączki w trakcie transportu stalowej rury, fig. 2 - schematycznie typowy układ łączący w połączeniu gwintowym rury stalowej, fig. 3(a) i (b) przedstawiają typowe konstrukcje warstwy podkładowej oraz powłoki smarującej w gwintowym połączeniu rur stalowych według wynalazku, przy czym fig. 3(a) przedstawia przypadek, gdy warstwa podkładowa wykonywana jest z wykorzystaniem powłoki rozproszonej, zaś fig. 3(b) przedstawia przypadek, gdy warstwa podkładowa wykonywana jest w procesie nadmuchiwania lub natryskiwania płomieniowego.

Zgodnie z tym, co przedstawiono na fig. 2, połączenie gwintowe rur stalowych według wynalazku obejmuje sworzeń oraz tuleję, z których każde dysponuje częścią gwintowaną oraz nie gwintowaną metalową część stykową. Mianowicie, sworzeń 1 wyposażono w gwintowaną część 3A oraz nie gwintowaną metalową część stykową 4A, zaś tuleję 2 wyposażono w gwintowaną część 3B oraz nie gwintowaną metalową część stykową 4B. Zwykle, zgodnie z tym, co zaprezentowano na fig. 2, sworzeń 1 kształtowany jest na powierzchni zewnętrznej zakończenia stalowej rury, zaś tuleja 2 na powierzchni wewnętrznej złączki.

Gwintowane części oraz nie gwintowane metalowe części stykowe sworznia oraz tulei stanowią powierzchnie stykowe gwintowego połączenia. Powierzchnie stykowe, a w szczególności nie gwintowane metalowe powierzchnie stykowe, tworzące szczelne połączenie metal-metal wymagane są, by zagwarantować odporność na korozję cierną oraz szczelność.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem na powierzchni stykowej przynajmniej jednego z elementów - sworznia lub tulei uformowana jest porowata metaliczna warstwa podkł adowa, zaś na nią naniesiona jest warstwa powłoki smarującej, którą stanowi stała powłoka smarująca lub płynna powłoka tego rodzaju, przy czym w skład płynnej powłoki smarującej nie wchodzą zasadniczo sproszkowane metale ciężkie. W efekcie uzyskać można pożądane właściwości powierzchni stykowych gwintowego połączenia bez konieczności zastosowania smaru mieszanego, przy czym te pożądane właściwości utrzymują się również w warunkach wysokiej temperatury.

Efekt taki uzyskać można poprzez poddanie obróbce przynajmniej jeden z elementów - sworzeń lub tuleję - w opisany wyżej sposób. W przypadku obróbki powierzchni stykowej tylko jednego elementu łatwiej jest przeprowadzić obróbkę powierzchni stykowej krótszego elementu, to jest złączki (zwykle powierzchnia stykowa tulei), choć możliwe jest również przeprowadzenie obróbki powierzchni stykowej rury stalowej. Oczywiście możliwa jest też obróbka powierzchni stykowych zarówno sworznia, jak i tulei.

W przypadku gwintowego połączenia wedł ug wynalazku materiał powłoki smarującej, to jest wyższej warstwy (dalej dla ułatwienia określanej mianem smaru), dostaje się do wnętrza porów w porowatej warstwie podkładowej, impregnując je, w wyniku czego powłoka smarująca w sposób pewny przylega do warstwy podkładowej.

Z drugiej strony, warstwa podkł adowa jest warstwą metaliczną , w wyniku czego odznacza się silną przyczepnością do również metalicznego, stalowego, podłoża. W rezultacie siła przylegania powłoki smarującej do stalowego podłoża ulega ogromnemu wzrostowi, przez co w pewny sposób zabezpieczyć można połączenie przez korozją cierną.

Co więcej, nawet w przypadku utraty powłoki smarującej ze względu na jej zużycie lub uszkodzenie, lub zniszczenie wynikłe z miejscowego wzrostu naporu, smar, którym impregnowano warstwę podkładową, dostarczany jest na powierzchnię warstwy podkładowej, co pozwala wyeliminować ryzyko korozji ciernej. W ten sposób możliwe staje się zapewnienie wysokiej odporności na korozję cierną w przypadku gwintowych po łączeń rur stalowych.

Aby uzyskać opisany wyżej efekt, warstwa podkładowa wykonywana jest w postaci porowatej powłoki o porowatości rzędu 5-80%. W sytuacji, gdy porowatość warstwy podkładowej wynosi poniżej 5%, ilość smaru pozostającego w wyniku impregnacji w porach warstwy podkładowej jest niewielka. Ilość smaru doprowadzanego w warunkach wysokiego ciśnienia staje się również niedostateczna, w wyniku czego dochodzi do korozji ciernej.

Z drugiej strony, wówczas, gdy porowatość warstwy podkł adowej przekroczy 80%, wytrzymałość tej warstwy będzie już niedostateczna, przez co dochodzić może do odkształceń warstwy podkładowej podczas dokręcania elementów, w wyniku czego dochodzi do korozji ciernej. Porowatość warstwy podkładowej wynosi korzystnie 10-70%, a szczególnie korzystnie 10-50%.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem pomiar porowatości warstwy podkładowej przeprowadzany jest na drodze obserwacji wybranego obszaru warstwy podkładowej w środkowej części przekroju

PL 199 832 B1 poprzecznego wykonanego w kierunku wzdłużnym z zastosowaniem mikroskopu optycznego. Zgodnie z tym sposobem obliczany jest stosunek przestrzeni zajmowanej przez pory, a następnie wyliczana jest średnia z pięciu pól obserwacji.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem warstwę podkładową wykonano z metalu, przy czym jest ona stosunkowo miękka w porównaniu z powłoką fosforanową. Twardość metalicznej powłoki podkładowej to korzystnie twardość według Vickersa (Hv) na poziomie 50-250. W sytuacji, gdy twardość taka wynosi poniżej 50 Hv, dochodzi do szybkiego zużycia warstwy podkładowej w trakcie dokręcania gwintowych połączeń, a przy tym zdarzają się przypadki, gdy korozja cierna zachodzi przy powtarzającym się dokręcaniu oraz luzowaniu elementów.

Wówczas, gdy twardość warstwy podkładowej przekracza 250 Hv, powłoka taka staje się zbyt twarda i może zarysować sworzeń lub tuleję w trakcie dokręcania elementów. Ograniczeniu ulega odporność na korozję cierną.

Brak konkretnych ograniczeń sposobu formowania warstwy podkładowej, o ile stanowi ona porowatą powłokę metaliczną o porowatości 5-80%. Warstwę podkładową tego rodzaju wykonać można przykładowo z zastosowaniem następujących sposobów powlekania.

Sposób powlekania elektrolitycznego

Powlekanie elektrolityczne odbywa się w specjalnym roztworze zawierającym rozproszone cząstki, jakie można następnie usunąć, przy czym powłoka zawierająca rozproszone cząstki (rozproszona powłoka galwaniczna) formowana jest przy jednoczesnym mieszaniu roztworu w celu równomiernego rozproszenia cząstek w roztworze. Znajdujące tu zastosowanie cząstki, stanowić mogą sproszkowane polimery, takie jak sproszkowany PTFE (politetrafluoroetylen) lub sproszkowane żelazo, choć nie ograniczają się one do tych materiałów. Z reguły korzystne jest, by średnica cząstek była rzędu 5000 nm.

Następnie z uzyskanej dyspersyjnej powłoki galwanicznej usuwane są rozproszone cząstki. Wówczas, gdy cząstki te stanowi sproszkowany polimer, usuwa się je przez spalanie oraz zgazowywanie cząsteczek przez ich ogrzewanie. Wówczas, gdy stanowi je sproszkowane żelazo, usunąć je można na drodze trawienia.

W ten sposób oprócz lokalizacji, w których obecne były rozproszone cząstki, pory tworzą też ścieżki uwalniania cząstek podczas zgazowywania oraz ścieżki przenikania roztworu trawiącego. Tak powstaje porowata powłoka galwaniczna. Porowatość powłoki tego rodzaju regulować można na podstawie ilości rozproszonych cząstek w roztworze powłoki.

Budowę porów w warstwie podkładowej uzyskanej w ten sposób przedstawiono schematycznie na fig. 3(a). Zgodnie z rysunkiem w trakcie formowania powłoki smarującej na warstwie podkładowej, część materiału powłoki smarującej (smar) przenika do wnętrza porów, w wyniku czego warstwa podkładowa zatrzymać może smar.

Powlekanie w procesie nadmuchiwania lub natryskiwania płomieniowego

Powlekanie w procesie nadmuchiwania stanowi sposób, zgodnie z którym cząstki stałe (cząstki nadmuchiwane) uderzają o powlekaną powierzchnię. Powlekanie w procesie natryskiwania płomieniowego stanowi natomiast sposób, zgodnie z którym metal jest stapiany i wydmuchiwany przez płomień lub tym podobne, po czym umieszczany jest on na powierzchni.

W obu wypadkach powłoka powstaje poprzez nagromadzenie spłaszczonych cząstek, co przedstawiono schematycznie na fig. 3(b), przy czym uzyskiwana jest porowata powłoka obejmująca puste przestrzenie między cząstkami. Smar zatrzymuje się w porach, które stanowią wspomniane tu puste przestrzenie.

Zgodnie z tym, co ujawniono w JP-B 59-9312, przykładowo sposób powlekania w procesie nadmuchiwania zrealizować można z wykorzystaniem cząstek nadmuchiwanych w postaci cząstek posiadających rdzeń z żelaza lub stopu żelaza, powlekany cynkiem lub stopem cynku.

W takim wypadku cynk lub stop cynku na powierzchni cząstek przywiera do powlekanej powierzchni, w wyniku czego formowana jest porowata warstwa powlekająca wykonana z cynku lub ze stopu cynku.

W publikacji JP-A 62-258283 stwierdza się , ż e na powierzchni gwintowego połączenia rur stosowanych w szybach naftowych wykonać można powłokę nadmuchiwaną, lecz technologia ta bazuje na zastosowaniu smaru mieszanego zawierającego znaczne ilości cząsteczek metali ciężkich. Innymi słowy, odporność na korozję cierną zapewnia smar mieszany.

Ze stanu techniki dobrze znany jest też sposób natryskiwania płomieniowego. Co więcej, obok sposobów podanych powyżej, znanych jest wiele różnych sposobów, w tym wykorzystujących plazmę

PL 199 832 B1 lub energię wybuchu jako źródło ciepła. Zastosować można dowolny z nich, o ile pozwoli on na uzyskanie powłoki o porowatości w zakresie sprecyzowanym zgodnie z niniejszym wynalazkiem. Sposób natryskiwania płomieniowego zastosować można w przypadku większości metali oraz ich stopów.

Porowatość powłoki porowatej uzyskanej tymi sposobami zmierzyć można w przypadku powlekania z wykorzystaniem sposobu nadmuchiwania na podstawie wielkości średnicy cząstki oraz ich prędkości. Podobnie w przypadku natryskiwania płomieniowego porowatość powłoki uzależniona jest od średnicy cząstek metalu, nanoszonych na powierzchnię w procesie natryskiwania płomieniowego, oraz od prędkości natryskiwania. Regulacji dokonać można na podstawie tempa przepływu gazu, temperatury oraz środowiska, w którym odbywa się natryskiwanie płomieniowe.

Brak jakichś szczególnych ograniczeń odnośnie metalu warstwy podkładowej, choć korzystne jest zastosowanie metalu lub jego stopu, który potrafi korzystnie wpłynąć na odporność na rdzę rury stosowanej w odwiertach naftowych.

W sytuacji, gdy warstwę podkładową wykonano z metalu odznaczającego się wysoką odpornością na korozję, lecz warstwa ta jest porowata, pory wypełniane są materiałem powłoki smarującej, dzięki czemu warstwa podkładowa pozwala należycie zabezpieczyć gwintowe połączenie. Zapewnia ona właściwości dobrego zabezpieczenia przed rdzą.

Korzystny materiał warstwy podkładowej stanowi cynk lub stop cynku odznaczający się znakomitymi właściwościami zapobiegania rdzy ze względu na oferowaną przez niego ochronę protektorową Zastosowanie znajdują też inne metale, takie jak Cu, Ni, Sn, Cr, Al, Co oraz metale szlachetne (Au, Ag, Pd i inne) oraz ich stopy, które same oznaczają się znakomitymi właściwościami antykorozyjnymi.

Grubość warstwy podkładowej wynosi 1000-30000 nm. Wówczas, gdy grubość wynosi poniżej 1000 nm, ilość smaru na warstwie podkładowej jest niewielka, w związku z czym zabezpieczenie przed korozją cierną jest niewystarczające.

Jeśli natomiast grubość warstwy podkładowej przekracza 30000 nm, wytrzymałość warstwy spada, dochodzi do złuszczania powłoki na granicy między stalowym podłożem rury stosowanej w odwiertach naftowych a warstwą podkładową w czasie dokręcania elementów. Grubość warstwy podkładowej wynosi korzystnie 5000-15000 nm.

Płynna lub stała powłoka smarująca formowana jest na wierzchu opisanej powyżej porowatej metalicznej warstwy podkładowej. Płynną powłokę smarującą stanowić może tradycyjnie stosowany olej smarowy, choć zastosowania nie znajduje tu smar mieszany, zawierający znaczne ilości metali ciężkich. Stałą powłokę smarującą stanowi z kolei powłoka, w której sproszkowany stały smar wiązany jest przy użyciu odpowiedniego spoiwa, po czym jest ona formowana poprzez nanoszenie na podłoże płynnej kompozycji smarującej, uzyskanej w wyniku rozpuszczenia spoiwa we właściwym rozpuszczalniku, po czym uzyskana powłoka jest suszona, w razie konieczności w podwyższonej temperaturze.

Niezależnie od tego, czy zastosowana zostanie płynna, czy stała powłoka smarująca, część płynnego materiału nanoszonego w trakcie formowania powłoki przenika do wnętrza porów warstwy podkładowej, smar impregnuje tę warstwę, będąc w niej zatrzymywany. W ten sposób w wyniku zjawiska silnego przylegania powłoki smarującej do warstwy podkładowej oraz dzięki zastosowaniu smaru impregnującego w warunkach podwyższonego ciśnienia warstwę podkładową uzyskiwana jest wysoka odporność na korozję cierną, i to bez zastosowania smaru mieszanego zawierającego sproszkowane metale ciężkie.

Całkowita grubość warstwy podkładowej oraz wierzchniej powłoki smarującej wynosi najwyżej 100000 nm. W sytuacji, gdy całkowita grubość przekroczy 100000 nm, dochodzi do wzrostu nacisku podczas dokręcania elementów, co prowadzić może do korozji ciernej. Całkowita grubość wynosi korzystnie do 80 μm.

Płynną powłokę smarującą wykonać można z olejów stosowanych jako oleje smarowe, w tym oleju mineralnego, syntetycznych olejów estrowych, olejów zwierzęcych lub roślinnych i tym podobnych. Do oleju tego rodzaju dodać można jeden lub więcej dodatków, takich jak dodatki zabezpieczające przed rdzą lub dodatki hipoidalne, znane jako dodatki olejów smarowych. Wówczas, gdy dodatki te stanowią płyny, zastosować je można przy formowaniu płynnej powłoki smarującej.

Jako dodatki zabezpieczające przed rdzą zastosować można zasadowe sole metali kwasów organicznych, takie jak zasadowe sulfoniany metali, zasadowe fenolany metali oraz zasadowe karboksylany metali. Zasadniczo występują one w postaci płynnej, dzięki czemu mogą być wykorzystywane do produkcji powłok smarujących. Jako dodatki hipoidalne stosować można natomiast wszelkie substancje tego rodzaju, w skład których wchodzą substancje zawierające siarkę, fosfor lub chlor, jak również sole metali kwasów organicznych.

PL 199 832 B1

Aby zwiększyć grubość powłoki stosowanego oleju, dodać można polimer, żywicę lub związki nieorganiczne lub tym podobne - w postaci drobno sproszkowanej lub w formie włókien. Spośród nich korzystne jest zastosowanie oleju zawierającego zasadową sól metalu kwasu organicznego oraz, ewentualnie, jeden lub oba organiczne związki cynku jako dodatek hipoidalny, jak również drobno sproszkowaną żywicę.

Można też zastosować wyłącznie zasadową sól metalu kwasu organicznego; preferowaną zasadową sól metalu kwasu organicznego stanowi zasadowy sulfonian metalu.

Jako smar stały na potrzeby stałej powłoki smarującej zastosować można związki zawierające tlenowce (tlenek ołowiu, disiarczek molibdenu, disiarczek wolframu, diselenek wolframu i tym podobne), grafit, azotek borowy, PTFE i tym podobne. Jako spoiwo zastosować można natomiast żywicę organiczną (taką jak żywica epoksydowa, akrylowa, fenolowa, poliamidowa, poliamidowoimidowa lub inne). Jako spoiwo zastosować też można dodatkowo związek metaloorganiczny (taki jak alkoholan tytanu lub alkoholan innego metalu), który pozwala uzyskać powłokę nieorganiczną na bazie tlenku metalu (taką jak powłoka na bazie tlenku tytanu) metodą zol-żel. Stałą powłokę smarującą uzyskać można w różny sposób, lecz zwykle poprzez naniesienie kompozycji płynnej powłoki oraz późniejsze podgrzewanie.

Poniżej niniejszy wynalazek zaprezentowany zostanie szczegółowo na przykładach.

Obróbkę powierzchniową (dane na jej temat zamieszczono w tabeli 2 - formowanie warstwy podkładowej oraz powłoki smarującej) przeprowadzono na powierzchni stykowej (mianowicie na gwintowanej części oraz nie gwintowanej metalowej części stykowej) jednego lub obu elementów sworznia oraz tulei - gwintowego połączenia (średnica zewnętrzna stalowej rury: 7 cali (177,8 mm), grubość ścian: 0,4 cala (10,16 mm)), pozwalającego na realizację szczelnego połączenia metal-metal.

Połączenie (stalowa rura oraz złączka) wykonano ze stali węglowej (A), stali 13% Cr (B), stali nierdzewnej 13% Cr (C) lub stali wysokostopowej (D) (do korozji dochodzi szczególnie łatwo w przypadku D, zaś coraz trudniej kolejno w przypadku C, B i A), o kompozycji przedstawionej w tabeli 1.

Zgodnie z tym, co przedstawiono na fig. 1, sworzeń uformowano na zewnętrznej powierzchni na obu końcach rury, zaś tuleję na powierzchni wewnętrznej na obu końcach złączki.

Spośród sposobów formowania warstwy podkładowej uwzględnionych w tabeli 2, zastosowano natryskiwanie płomieniowe z zastosowaniem Cu przy wykorzystaniu urządzenia do plazmowego natryskiwania płomieniowego. Drobno zmieloną Cu przyspieszano z zastosowaniem gazowego Ar jako nośnika, po czym uderzano nią w roztopionej postaci o powierzchnię stykową, by uformować powłokę. Szybkość przepływu gazu Ar ulegała zmianom, zaś prędkość udarowa roztopionych cząstek na podłożu (powierzchnia stykowa tulei) regulowana była w celu ustalenia porowatości uzyskiwanej powłoki na pożądanym poziomie.

Powlekanie na drodze nadmuchiwania z zastosowaniem Zn przeprowadzono z wykorzystaniem nadmuchiwanych cząstek, obejmujących rdzeń Fe powlekany Zn (Z Iron, producent: Dowa Iron Powder Industry, Japonia). Średnica cząstki oraz prędkość nadmuchiwania cząstek jest regulowana w celu ustalenia porowatości uzyskiwanej powłoki na pożądanym poziomie (porowatość wzrasta wraz ze wzrostem średnicy cząstek oraz obniżaniem prędkości nadmuchiwania).

Powlekanie elektrolityczne, jakie przeprowadzano z zastosowaniem Ni, Au, Sn oraz Cu, odbyło się przy wykorzystaniu zwykłych roztworów stosowanych na potrzeby powlekania elektrolitycznego dla każdego z metali oraz dodatku w postaci drobno sproszkowanej żywicy organicznej (PTFE). Proces powlekania elektrolitycznego przeprowadzono na powierzchni stykowej na wewnętrznej powierzchni tulei przy jednoczesnym mieszaniu sporządzonego roztworu, w wyniku czego uzyskano powłokę galwaniczną zawierającą rozproszone cząstki drobno sproszkowanej żywicy. Uniknięto osadzania się metalu na zewnętrznej powierzchni tulei poprzez jej zabezpieczenie.

Następnie tuleję podgrzewano w powietrzu w temperaturze około 600°C w celu spalenia oraz odparowania substancji organicznych oraz utworzenia porów w powłoce poddanej powlekaniu elektrolitycznemu. Porowatość ustalono poprzez kontrolę zawartości cząstek żywicy dodawanych do roztworu galwanicznego.

Dla celów porównawczych wykonano również w procesie azotowania oraz konwersji chemicznej z zastosowaniem fosforanu manganu typową warstwę podkładową.

Z pomocą mikroskopu optycznego zmierzono grubość oraz porowatość warstwy podk ł adowej. Aby ustalić porowatość gwintowaną część podzielono w kierunku wzdłużnym na w przybliżeniu 5 równych odcinków; środkową część w kierunku zgodnym z przekrojem poprzecznym warstwy podkładowej utworzonej na gwintach każdego z gwintowanych odcinków zbadano przy użyciu mikroskopu

PL 199 832 B1 optycznego (powiększenie 500 x); zmierzono udział procentowy obszaru zajmowanego przez pory, zaś średnią wartości udziałów procentowych zajmowanych przez pory dla pięciu lokalizacji odnotowana jako porowatość. Twardość (Hv) warstwy podkładowej zmierzono z pomocą przyrządu do badań twardości według Vickersa.

Spośród powłok smarujących płynną powłokę tego rodzaju stanowił olej mineralny, do którego dodano około 50% mas. zasadowego sulfonianu metalu (zasadowy sulfonian wapnia przy 200 mg KOH/g) oraz niewielką ilość dodatku hipoidalnego w postaci związku cynkowo-organicznego („olej + sulfonian” w tabeli 2) lub sam zasadowy sulfonian metalu („sulfonian” w tabeli 2). Pł ynny smar naniesiono pędzlem na warstwę podkładową z uzyskaniem płynnej powłoki smarującej. Grubość zależy tu przede wszystkim od lepkości płynnego smaru; w pewnych wypadkach dodawano odpowiednią ilość sproszkowanej żywicy fenolowej jako środek zagęszczający.

W przypadku stałej powłoki smarującej jako stały smar zastosowano disiarczek molibdenu (MoS₂) w sproszkowanej postaci o średniej średnicy cząstki około 15 μm lub proszek grafitowy o średniej średnicy cząstki około 1 μm. Spośród spoiw zastosowano żywicę fenolową, żywicę poliamidowoimidową lub poliamidową.

Jako spoiwo umożliwiające formowanie powłoki nieorganicznej zastosowano alkoholan tytanu (TTIP). Po podgrzaniu alkoholami tytanu w powietrzu tworzy on powłokę na bazie tlenku tytanu na drodze hydrolizy oraz kondensacji.

Stałą powłokę smarującą uformowano poprzez nanoszenie pędzlem płynnej kompozycji obejmującej roztwór spoiwa, w którym rozproszono stały smar w sproszkowanej postaci, na powierzchni warstwy podkładowej, a następnie poprzez jej suszenie w wysokiej temperaturze. Temperatura ogrzewania zależała przy tym od zastosowanego spoiwa, wynosząc około 230°C w przypadku żywicy fenolowej, około 399,8 K w przypadku żywicy poliamidowoimidowej, około 399,8 K w przypadku żywicy poliamidowej oraz około 338,7 K w przypadku alkoholanu tytanu.

Grubość uzyskanej powłoki smarującej, płynnej lub stałej zmierzono na podstawie obserwacji przekroju poprzecznego z pomocą mikroskopu optycznego (100 x).

Z pomocą połączeń gwintowych obejmujących sworzeń oraz tuleję, w których zastosowano warstwę podkładową oraz warstwę smarującą w opisany wyżej sposób, przeprowadzono dziesięciokrotnie test dokręcania oraz luzowania z prędkością dokręcania 10 obr./min. oraz przy momencie obrotowym 10340 ft-lbs (12019 N-m).

Gdy podczas testów dochodziło do korozji ciernej, dalsze dokręcanie przeprowadzano po dokonaniu odpowiednich poprawek powierzchniowych lub wyrównaniu powierzchni. Testy kończono wówczas, gdy dochodziło do znaczącej i odwracalnej korozji ciernej, to jest, gdy niemożliwe stawało się dokręcanie nawet po dokonaniu odpowiednich poprawek powierzchniowych lub gdy niemożliwe było poluzowanie połączenia.

Odporność na korozję zmierzono na podstawie liczby dokręceń oraz poluzowań do momentu wystąpienia nieodwracalnej korozji ciernej.

Z pomocą sworznia oraz tulei poddawanej obróbce tego rodzaju przeprowadzono operacje dokręcania w przedstawionych wyżej warunkach, przy czym dokręcone połączenie poddawano oddziaływaniu temperatury 338,7 K przez 100 godzin.

Po okresie przechowywania połączenia w wysokiej temperaturze, połączenie poluzowano, po czym zbadano naocznie proces łuszczenia się zastosowanych powłok (warstwy podkładowej + warstwy smarującej).

Wyniki pomiarów oraz doświadczeń zestawiono w tabeli 2.

T a b e l a 1

Stal	Kompozycja stali (% mas., bal: Fe)
C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo
A	0,24	0,30	1,3	0,17	0,007	0,04
B	0,19	0,20	0,8	12,5	0,100	0,05
C	0,01	0,25	0,5	12,0	6,000	2,00
D	0,01	0,30	0,5	25,0	50,00	6,48

PL 199 832 B1

T a b e l a 2

Lp.

Stal

Element

Warstwa podkładowa

Powłoka smarująca

Odporność na zacieranie

Łusz- czenie

mat.

por.

Hv

μτη

sp.

składniki

μπι

NINIEJSZY WYNALAZEK

1

A

tuleja

Cu

10

95

5

NP

MoS₂+ fenolowa

60

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

2

B

tuleja

Cu Γ40 | 95 | 28 | NP | grafit+PAI p70

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

3

C

tuleja

Cu | 78 | 90 | 15 | NP | MoS₂+TiAlk | 80

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z

procesem obróbki

4

D

tuleja

Zn

6

22 0

2

Ndm

MoS₂+TiAlk

50

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z

procesem obróbki

5

C

tuleja

Zn

20

22 0

15

Ndm

MoS₂+PAI

45

10

Nie

sworzeń

Zn

10

22 0

16

Ndm

MoS₂+TiAlk

40

6

D

tuleja

Zn

50

22 0

25

Ndm

olej+sulfon ian

35

10

Nie

sworzeń

Zn

60

22 0

20

Ndm

sulfonian

45

7

D

tuleja

Zgodnie z

procesem obróbki

10

Nie

sworzeń

Zn

60

22 0

20

Ndm

sulfonian

50

8

A

tuleja

Ni

10

24 5

15

El

olej+sulfon ian

40

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

9

B

tulęj a

Ni

70

25 0

15

El

MoS₂+PAI

50

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

10

C

tuleja

Au

20

50

8

El

MoS₂+fenolo wa

80

10

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

11

D

tuleja

Au | 40 |50 |10 |El |sulfonian | 40

10

Nie

sworzeń

12

C

tuleja

Ni

15

28 0

8

El

MoS₂+PA

50

8

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

13

D

tuleja

Sn

20

25

10

El

olej+sulfon ian

60

9

Nie

sworzeń

Zgodnie z

procesem obróbki

PORÓWNANIE

14

A

tuleja

Cu

0*

10 0

5

El

mos₂+pai

60

2

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

15

B

tuleja

Cu

85*

90

10

NP

olej+sulfon ian

40

5

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

16

C

tuleja

Zn

15

21 0

0, 5*

Ndm

MoS₂+TiAlk

70

3

Nie

sworzeń

Zgodnie z {

procesem obróbki

17

D

tuleja

Zn

15

20 0

35 *

Ndm

MoS₂+PAI

70

5

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

18

C

tuleja

Au ΡΪ5 | 50 | 8 ΓεΪ I MoS₂+PA | 120*

5

Nie

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

19

C

tuleja

azotek+fosfon ian Mn

8

-

MoS₂+PAI

50

8

Tak

sworzeń

Zgodnie z procesem obróbki

Uwagi: mat. = materiał, por. = porowatość, Hv = twardość (Hv), μm = grubość (μηι), sp. = sposób powlekania: NP. = natryskiwanie płomieniowe, Ndm = nadmuchiwanie, El = powlekanie elektrolityczne. Składniki (powłoki smarującej): fenolowa = żywica fenolowa, PAI = poliamidoimid, PA = poliamid, TiAlk = alkoholan tytanu, oil = olej mineralny * poza zakresem niniejszego wynalazku

PL 199 832 B1

Zgodnie z tym, co zaprezentowano w tabeli 2, połączenia stalowych rur gwintowane według wynalazku charakteryzowały się znakomitą odpornością na korozję cierną. W szczególności te, dla których twardość warstwy podkładowej znajdowała się w preferowanym zakresie 50-250 Hv elementy połączenia można było dokręcać i luzować przynajmniej 10 razy, zaś odporność na korozję cierną była bardzo wysoka.

Co więcej, w sytuacji, gdy luzowanie przeprowadzono po okresie przechowywania przez 100 godzin w stanie po dokręceniu w temperaturze 250°C, nie zaobserwowano łuszczenia się powłoki; innymi słowy, nie odnotowano problemów związanych z przyleganiem nawet w wysokich temperaturach. Reasumując, pożądaną odporność na korozję cierną uzyskać można również w warunkach wysokich temperatur panujących w szybach naftowych.

Z kolei w przykładach porównawczych, gdy zastosowana warstwa podkładowa nie była porowata lub też była porowata, ale charakteryzowała się niewielką grubością, nie uzyskano efektu poprawy odporności na korozję cierną dzięki zastosowaniu porowatej warstwy podkładowej.

Odporność na korozję cierną uległa znacznemu obniżeniu również wówczas, gdy zbyt duża była porowatość warstwy podkładowej lub jej grubość, względnie całkowita grubość warstwy podkładowej oraz powłoki smarującej.

Co więcej, wówczas, gdy warstwę podkładową stanowiła powłoka fosforanu manganu, przyleganie powłoki smarującej okazało się niedostateczne, w wyniku czego powłoka ta ulegała złuszczaniu po okresie jej przebywania w warunkach podwyższonej temperatury.

Niniejszy wynalazek prezentuje gwintowe połączenie rur stalowych o wysokiej odporności na korozję cierną, jakie zapobiec może powstawaniu korozji tego typu oraz spadkowi szczelności w czasie powtarzających się operacji dokręcania oraz luzowania elementów, które to połączenie uzyskać można przy stosunkowo niewielkim nakładzie kosztów.

Wymienione korzyści uzyskać można również w trakcie robót wiertniczych w warunkach wysokich temperatur i to pomimo wykonania gwintowego połączenia ze stali wysokochromowej, to jest materiału dość podatnego na korozję cierną. Rozwiązanie to wyklucza przy tym zastosowanie płynnego smaru zawierającego sproszkowane metale ciężkie, takiego jak smar mieszany.

Claims

1. Połączenie gwintowe rur stalowych, obejmujące sworzeń oraz tuleję, z których każde dysponuje powierzchnią stykową, w którym wyróżnić można część gwintowaną oraz nie gwintowaną część stykową, znamienne tym, że powierzchnia stykowa przynajmniej jednego elementu - sworznia lub tulei powlekana jest metaliczną warstwą podkładową oraz wierzchnią warstwą powłoki smarującej, przy czym warstwa podkładowa odznacza się porowatością rzędu 5-80% oraz grubością 1000-30000 nm, zaś warstwa powłoki smarującej obejmuje stałą powłokę smarującą lub płynną powłokę smarującą, przy czym w drugiej brak zasadniczo sproszkowanych metali ciężkich, przy czym całkowita grubość warstwy podkładowej oraz warstwy powłoki smarującej wynosi najwyżej 100000 nm.

2. Połączenie według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa podkładowa charakteryzuje się twardością 50-250 Hv.

3. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że warstwa podkładowa kształtowana jest w procesie powlekania elektrolitycznego, powlekania w procesie nadmuchiwania lub natryskiwania płomieniowego.

4. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że warstwę podkładową wykonano z metalu wybranego z grupy Zn, Cu, Ni, Sn, Cr, Al, Co, metali szlachetnych oraz ich stopów.

5. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że powłokę smarującą stanowi płynna powłoka smarująca, którą stanowi zasadniczo zasadowa sól metalu kwasu organicznego lub w której skład wchodzi zasadowa sól metalu kwasu organicznego.

6. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że warstwę powłoki smarującej stanowi stały smar oraz spoiwo, które tworzyć mogą powłokę organiczną lub nieorganiczną.