RU2384789C1 - Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication - Google Patents
Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication Download PDFInfo
- Publication number
- RU2384789C1 RU2384789C1 RU2008144306/06A RU2008144306A RU2384789C1 RU 2384789 C1 RU2384789 C1 RU 2384789C1 RU 2008144306/06 A RU2008144306/06 A RU 2008144306/06A RU 2008144306 A RU2008144306 A RU 2008144306A RU 2384789 C1 RU2384789 C1 RU 2384789C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- chromium
- parts
- thickness
- corrosion
- Prior art date
Links
Landscapes
- Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)
Abstract
Description
Предложение относится к буровой технике, точнее к насосно-компрессорным и обсадным трубам, преимущественно изготовленным из легированных хромом коррозионностойких (нержавеющих) сталей, используемым в геологоразведочных, нефтяных или газовых скважинах с коррозионно-активной средой.The proposal relates to drilling equipment, more specifically to tubing and casing pipes, mainly made of chromium alloyed with corrosion-resistant (stainless) steels, used in exploration, oil or gas wells with a corrosive medium.
В буровой технике, среди прочих, существуют две важнейшие проблемы: обеспечение надежности и герметичности резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб (далее - НКТ), а также повышение износостойкости или долговечности, этих соединений по числу циклов свинчивание-развинчивание (далее - износостойкости). Критериями долговечности являются как степень износа соединения, так и его герметичность.In drilling equipment, among others, there are two major problems: ensuring the reliability and tightness of the threaded connections of tubing and casing (hereinafter - tubing), as well as increasing the wear resistance or durability of these compounds by the number of screwing-unscrewing cycles (hereinafter referred to as wear resistance) . The criteria for durability are both the degree of wear of the joint and its tightness.
Далее термином «соединение» или «трубное соединение» будет называться разборный узел, содержащий элемент с наружной резьбой, например трубу или переходник, называемый далее «ниппелем», и элемент с внутренней резьбой, например муфту или переходник, далее называемый «муфтой».Hereinafter, the term “connection” or “pipe connection” will mean a collapsible assembly comprising an element with an external thread, such as a pipe or adapter, hereinafter referred to as a “nipple”, and an element with an internal thread, such as a sleeve or adapter, hereinafter referred to as a “sleeve”.
Термином «сопрягаемые поверхности» будут называться поверхности ниппеля и муфты, находящиеся в свинченном соединении в непосредственном контакте: резьбовые, уплотнительные и упорные.The term "mating surfaces" will be called the surface of the nipple and the coupling, which are in a screwed connection in direct contact: threaded, sealing and thrust.
Для обеспечения герметичности соединения большое значение имеет состояние сопрягаемых поверхностей, в частности чистота отделки резьбовых и уплотнительных поверхностей. Коррозия повышает трение в соединении, увеличивает вероятность образования задиров. Задиры, ускоряя износ резьбы, снижают долговечность соединения.To ensure the tightness of the connection, the condition of the mating surfaces, in particular the cleanliness of the threaded and sealing surfaces, is of great importance. Corrosion increases friction in the joint, increases the likelihood of scoring. Scuffing, accelerating thread wear, reduces the durability of the connection.
Коррозионностойкие легированные стали по своим механическим свойствам заметно отличаются от углеродистых сталей. В частности, им свойственны повышенная, по сравнению с углеродистыми, пластичность и склонность к задирам. В технике обычным приемом предотвращения износа является изготовление сопрягаемых элементов из существенно отличающихся по свойствам материалов. Например: стальная шпилька и латунная гайка или закаленная стальная шпилька и относительно мягкая стальная гайка. Но резьбовые соединения НКТ должны быть равнопрочными. Их изготовление из разнородных материалов проблематично, поэтому основополагающую роль в уменьшении износа играет смазка, одновременно служащая для уплотнения резьбы.Corrosion-resistant alloy steels in their mechanical properties differ markedly from carbon steels. In particular, they are characterized by increased, compared with carbon, ductility and a tendency to badass. In technology, the usual method of preventing wear is the manufacture of mating elements from significantly different material properties. For example: steel stud and brass nut or hardened steel stud and relatively soft steel nut. But threaded tubing connections must be equally strong. Their manufacture from dissimilar materials is problematic, therefore, a lubricant, which simultaneously serves to seal the thread, plays a fundamental role in reducing wear.
Известно резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, в котором для повышения коррозионной стойкости сопрягаемые поверхности муфты НКТ снабжены фосфатным покрытием толщиной несколько микрон, нанесенным с целью повышения коррозионной стойкости [ГОСТ 633-80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним].A threaded tubing connection is known, including a nipple and a carbon steel sleeve, in which, to increase corrosion resistance, the mating surfaces of the tubing sleeve are provided with a micron phosphate coating deposited to increase corrosion resistance [GOST 633-80. Tubes and couplings to them].
Недостатком известного соединения является малая прочность покрытия. Оно выполняет свою задачу при хранении или транспортировании труб, но истирается и перестает быть полезным после первых же циклов. В последнее время увеличивается число скважин, осложненных коррозионными средами. Для таких скважин фосфатное покрытие как средство защиты от коррозии практически бесполезно.A disadvantage of the known compound is the low strength of the coating. It performs its task when storing or transporting pipes, but it is worn out and ceases to be useful after the very first cycles. Recently, the number of wells complicated by corrosive media has been increasing. For such wells, phosphate coating as a means of corrosion protection is practically useless.
Известно резьбовое соединение для стальных труб, как из углеродистой, так и из легированной хромом коррозионностойкой стали, содержащее ниппель и муфту, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей которых имеется пористое цинковое покрытие, поверх которого нанесено твердое смазочное покрытие, состоящее из связующего вещества (смолы или органического полимера) и смазочного порошка на основе дисульфида молибдена или вольфрама, или органических соединений молибдена, или графита, или нитрида бора, или политетрафторэтилена [патент РФ №2258859 по кл. F16L 15/00].A threaded joint is known for steel pipes made of both carbon and chromium alloyed corrosion-resistant steel, containing a nipple and a sleeve, at least on one of the mating surfaces of which there is a porous zinc coating, over which a solid lubricating coating consisting of a binder is applied (resin or organic polymer) and a lubricant powder based on molybdenum or tungsten disulfide, or organic compounds of molybdenum, or graphite, or boron nitride, or polytetrafluoroethylene [patent RF №2258859 of cells. F16L 15/00].
Одной из целей создания такого соединения было предотвращение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, вымываемыми из консистентных смазок в почву или океан. Однако замена консистентной смазки твердой не предотвращает загрязнения, а лишь уменьшает его. Тяжелые металлы все равно остаются основой смазки. Известное соединение сложно в изготовлении, а потому дорого, производство необходимых для твердого покрытия связующих веществ само по себе также экологически вредно. Срок службы известного соединения достигает 20 циклов, что хотя и не плохо по сравнению с простейшими способами подготовки (6…7 циклов), но не превышает результаты, достигнутые с применением намного более простых и дешевых способов.One of the goals of creating such a compound was to prevent environmental pollution by heavy metals washed from greases into the soil or ocean. However, replacing a solid grease does not prevent contamination, but only reduces it. Heavy metals still remain the basis of lubrication. The known compound is difficult to manufacture, and therefore expensive, the production of binders necessary for hard coating is in itself also environmentally harmful. The service life of the known compound reaches 20 cycles, which, although not bad compared to the simplest preparation methods (6 ... 7 cycles), but does not exceed the results achieved using much simpler and cheaper methods.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, на резьбовых поверхностях которого выполнено диффузионное цинкование толщиной 
Главной причиной неиспользования таких покрытий на резьбовых частях соединений из коррозионностойких сталей, легированных хромом, является неопределенность влияния наличия покрытия на износостойкость или долговечность соединения. Одни испытания подтверждают повышение износостойкости, другие же показывают очень незначительное улучшение, не оправдывающее затрат на нанесение покрытия, тем более, что коррозионная стойкость таких сталей считается достаточной и без цинкового покрытия. Для повышения износостойкости резьбовых соединений из легированных хромом коррозионностойких сталей считается достаточным применение смазывающе-уплотняющих составов.The main reason for not using such coatings on the threaded parts of chromium alloyed stainless steels is the uncertainty of the effect of the presence of the coating on the wear resistance or durability of the joint. Some tests confirm an increase in wear resistance, while others show a very slight improvement that does not justify the cost of coating, especially since the corrosion resistance of such steels is considered sufficient without zinc coating. To increase the wear resistance of threaded joints made of chromium alloyed with corrosion-resistant steels, the use of lubricating and sealing compounds is considered sufficient.
Тем не менее, коррозионностойкие стали, несмотря на их название, все равно подвержены питтинговой коррозии. Скорость разрушения массивных элементов НКТ, таких как тело трубы, изготовленных из коррозионностойких сталей, конечно, в сотни раз меньше, чем изготовленных из углеродистых сталей. Но резьбовые соединения, точность изготовления которых не хуже десятка микрометров, даже ничтожная коррозия может вывести из строя.However, corrosion resistant steels, despite their name, are still susceptible to pitting corrosion. The destruction rate of massive tubing elements, such as the body of a pipe made of corrosion-resistant steels, is, of course, hundreds of times lower than that made of carbon steel. But threaded connections, the manufacturing accuracy of which is no worse than a dozen micrometers, even negligible corrosion can damage.
Широко распространено также покрытие резьбы соединений НКТ медью, а также составами на основе меди.Coating the threads of tubing joints with copper, as well as copper-based compounds, is also widespread.
Известен гальванический способ покрытия металлических поверхностей медью, основанный на применении цианистых соединений [Л.Г.Зальцман, С.М.Черная. Справочник гальваника. К.: Техника, 1984]. Он является экологически опасным и довольно затратным способом. При этом не удается получить покрытия с равномерной толщиной по всему профилю резьбы, поскольку расстояния от анода до гребней и впадин резьбы различны. Кроме того, гальванически нанесенное медное покрытие оказывается чрезмерно гладким и плохо удерживает резьбоуплотнительную смазку, быстро вымываемую под давлением в ходе эксплуатации. Износостойкость, измеряемая по числу циклов свинчивание-развинчивание таких покрытых медью соединений, повышается незначительно.Known galvanic method of coating metal surfaces with copper, based on the use of cyanide compounds [L. G. Zaltsman, S. M. Black. Handbook of electroplating. K .: Technique, 1984]. It is an environmentally hazardous and fairly costly method. However, it is not possible to obtain coatings with uniform thickness over the entire profile of the thread, since the distances from the anode to the ridges and troughs of the thread are different. In addition, the galvanically applied copper coating turns out to be excessively smooth and poorly retains thread sealant, which is quickly washed out under pressure during operation. The wear resistance, measured by the number of screwing-unscrewing cycles of such copper-coated compounds, increases slightly.
Известен способ повышения износостойкости и герметичности резьбовых соединений, в том числе НКТ, состоящий в том, что на резьбовые поверхности труб механическим способом наносится слой пластичного медьсодержащего сплава [патент РФ №2214478 по кл. С23С 26/00]. Покрытие наносится индивидуально на каждую упрочняемую деталь посредством прижатия к поверхности вращающейся детали натирающего прутка с одновременным смачиванием зоны контакта жидкостью определенного состава. Такое покрытие повышает износостойкость резьбовых соединений. Но параметры покрытия имеют большой разброс от детали к детали, связанный с тем, что покрытие наносится на каждую деталь индивидуально, а критерием завершения процесса является «появление резкого свистящего звука», то есть очень субъективный показатель.There is a method of increasing the wear resistance and tightness of threaded joints, including tubing, consisting in the fact that a layer of plastic copper-containing alloy is mechanically applied to the threaded surfaces of pipes [RF patent No. 2214478 according to class. C23C 26/00]. The coating is applied individually to each hardenable part by pressing a rubbing rod against the surface of the rotating part while simultaneously wetting the contact zone with a liquid of a certain composition. This coating increases the wear resistance of threaded joints. But the parameters of the coating have a wide scatter from part to part, due to the fact that the coating is applied to each part individually, and the criterion for completing the process is “the appearance of a sharp whistling sound”, that is, a very subjective indicator.
Известен способ повышения износостойкости и герметичности резьбовых соединений, в том числе НКТ, из углеродистой или коррозионностойкой легированной хромом стали, состоящий в том, что, по меньшей мере, одна из сопрягаемых резьбовых поверхностей предварительно подвергается пескоструйной очистке до образования равномерного размера неровностей 10 мкм, затем на нее наносится пористое покрытие, в частности, из цинка или цинкового сплава, поверх которого наносится твердое смазочное покрытие, состоящее из связующего вещества (смолы или органического полимера) и смазочного порошка на основе дисульфида молибдена или вольфрама, или органических соединений молибдена, или графита, или нитрида бора, или политетрафторэтилена [патент РФ №2258859 по кл. F16L 15/00].A known method of increasing the wear resistance and tightness of threaded joints, including tubing, of carbon or corrosion-resistant alloyed with chromium steel, consisting in the fact that at least one of the mating threaded surfaces is pre-subjected to sandblasting to form a uniform size of irregularities of 10 μm, then a porous coating is applied to it, in particular of zinc or a zinc alloy, on top of which a solid lubricating coating is applied consisting of a binder (resin or organ Cesky polymer) and a lubricating powder on the basis of molybdenum disulfide or tungsten, molybdenum or organic compounds, or graphite, or boron nitride, or polytetrafluoroethylene [RF patent №2258859 tml. F16L 15/00].
Известный способ дорог и сложен в осуществлении, что и является его главным недостатком. Другие недостатки известного способа те же, что и у описанного выше резьбового соединения по тому же патенту.The known method is expensive and difficult to implement, which is its main drawback. Other disadvantages of the known method are the same as that of the threaded connection described above according to the same patent.
Известны способы диффузионного порошкового цинкования металлических деталей, при которых в состав порошковой смеси, содержащей порошок цинка, инертный наполнитель, например кварцевый песок, а также различные активаторы, дополнительно вводят либо порошок металлического хрома и оксид хрома [а.с. СССР №560001], либо только оксид хрома [US №6171359]. Первый из известных способов предназначен для цинкования алюминия и его сплавов. Его пригодность для нанесения покрытий на детали соединений НКТ из коррозионной стали не известна. Второй из известных способов предназначен для получения защитных и декоративных цинковых покрытий различного цвета. Его пригодность для нанесения покрытий на детали соединений НКТ из коррозионной стали также не известна. Оба способа имеют тот недостаток, что используют дорогостоящие порошки хрома или оксида хрома. Из-за токсичности хрома и его оксида использование известных способов порождает проблемы, связанные с экологией.Known methods of diffusion powder galvanizing of metal parts, in which the composition of the powder mixture containing zinc powder, an inert filler, such as silica sand, as well as various activators, are additionally introduced or a powder of metallic chromium and chromium oxide [A. with. USSR No. 560001], or only chromium oxide [US No. 6171359]. The first of the known methods is intended for galvanizing aluminum and its alloys. Its suitability for coating parts of tubing joints of stainless steel is not known. The second of the known methods is intended for protective and decorative zinc coatings of various colors. Its suitability for coating parts of tubing joints of stainless steel is also not known. Both methods have the disadvantage that they use expensive powders of chromium or chromium oxide. Due to the toxicity of chromium and its oxide, the use of known methods gives rise to environmental problems.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения коррозионной стойкости и долговечности по числу циклов резьбового соединения НКТ, включающего в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, заключающийся в том, что на сопрягаемые резьбовые поверхности наносится методом термодиффузионного порошкового цинкования цинковое покрытие. Процесс нанесения продолжается до достижения покрытием толщины 
Однако этот способ применительно к резьбовым частям соединений из коррозионностойких сталей, легированных хромом и используемых в особо агрессивных по коррозии условиях, до настоящего времени не применяется как из-за того, что коррозионная стойкость таких сталей считается достаточной и без цинкового покрытия, так и из-за неопределенности влияния наличия покрытия на долговечность соединения. Цинковые покрытия на деталях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом, заявителю не известны.However, this method is not applied to the threaded parts of joints made of corrosion-resistant chromium alloyed steels and used under particularly aggressive corrosion conditions, due to the fact that the corrosion resistance of such steels is considered sufficient without zinc coating, as well as due to the uncertainty of the effect of coating on the durability of the connection. Zinc coatings on the details of tubing joints of chromium alloyed stainless steels are not known to the applicant.
Технической задачей настоящего предложения является повышение износостойкости соединений коррозионностойких обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%, без существенного удорожания соединения.The technical task of this proposal is to increase the wear resistance of the joints of corrosion-resistant casing or tubing made of steel with a chromium content of 3 ... 20%, without significantly increasing the cost of the connection.
Указанная цель достигается тем, что в соединении коррозионностойких обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%, по меньшей мере, одна из сопрягаемых поверхностей имеет цинковое покрытие, нанесенное методом термодиффузионного порошкового цинкования, в состав которого входит хром в количестве 2…9% по массе при суммарной толщине покрытий на сопрягаемых деталях в пределах 15…50 мкм и минимальной толщине покрытия 15 мкм, причем микротвердость покрытия превосходит микротвердость материала деталей соединения в 1,5…2,2 раза.This goal is achieved by the fact that in the connection of corrosion-resistant casing or tubing made of steel with a chromium content of 3 ... 20%, at least one of the mating surfaces has a zinc coating deposited by thermodiffusion powder galvanizing, which contains chromium in an amount 2 ... 9% by weight with a total thickness of coatings on mating parts within 15 ... 50 microns and a minimum coating thickness of 15 microns, and the microhardness of the coating exceeds the microhardness of the material of the parts of the compound in 1, 5 ... 2.2 times.
Еще одной технической задачей настоящего предложения является создание несложного, эффективного и экологически чистого способа повышения износостойкости по числу циклов соединений коррозионностойких обсадных и насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20%.Another technical objective of this proposal is to create a simple, effective and environmentally friendly way to increase wear resistance by the number of cycles of joints of corrosion-resistant casing and tubing made of steel with a chromium content of 3 ... 20%.
Указанная цель достигается тем, что, по меньшей мере, на одну из сопрягаемых поверхностей соединения коррозионностойких обсадных и насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3…20% методом термодиффузионного порошкового цинкования наносят цинковое покрытие, причем процесс проводят до достижения содержания хрома в покрытии в пределах 2…9% по массе при суммарной толщине покрытий на сопрягаемых деталях в пределах 15…50 мкм и минимальной толщине покрытия 15 мкм.This goal is achieved by the fact that at least one of the mating surfaces of the joints of corrosion-resistant casing and tubing made of steel with a chromium content of 3 ... 20% by thermal diffusion powder galvanizing is applied zinc coating, and the process is carried out until the chromium content in the coating within 2 ... 9% by weight with a total thickness of coatings on mating parts within 15 ... 50 microns and a minimum coating thickness of 15 microns.
Кроме того, при нанесении покрытия используют одноразовые порошковые смеси.In addition, disposable powder mixtures are used in the coating.
Кроме того, процесс нанесения покрытия осуществляют в две стадии: вначале наносят цинковое покрытие требуемой толщины, а затем деталь с покрытием подвергают термообработке до достижения заданного содержания хрома в покрытии.In addition, the coating process is carried out in two stages: first, a zinc coating of the required thickness is applied, and then the coated part is subjected to heat treatment until the specified chromium content in the coating is reached.
Кроме того, заданное содержание хрома в покрытии считают достигнутым, когда микротвердость покрытия превосходит микротвердость детали в 1,5…2,2 раза.In addition, the specified chromium content in the coating is considered achieved when the microhardness of the coating exceeds the microhardness of the part by 1.5 ... 2.2 times.
Представленное ниже соотнесение влияния заявленных признаков на достигаемый технический результат относится как к устройству, так и к способу.The following correlation of the influence of the claimed features on the achieved technical result relates to both the device and the method.
Благодаря наличию цинкового покрытия с содержанием хрома 2…9% по массе, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей соединения износостойкость соединения резьбовых деталей из коррозионностойких сталей с содержанием хрома 3…20% повышается до 40 циклов свинчивание-развинчивание и более.Due to the presence of a zinc coating with a chromium content of 2 ... 9% by weight, at least on one of the mating surfaces of the joint, the wear resistance of the connection of threaded parts made of corrosion-resistant steels with a chromium content of 3 ... 20% increases to 40 cycles of screwing-unscrewing and more.
Благодаря тому, что минимальная толщина покрытия составляет 15 мкм, обеспечивается гарантированная сплошность покрытия и достижение эффекта повышения износостойкости соединения.Due to the fact that the minimum coating thickness is 15 μm, a guaranteed continuity of the coating and the effect of increasing the wear resistance of the compound are ensured.
Благодаря тому, что максимальная суммарная толщина покрытий не превышает 50 мкм, соединение с покрытием можно собирать, руководствуясь указаниями стандартных нормативных документов, в частности, использовать установленные критерии натяга соединения для определения правильности свинчивания. Это устраняет возможные затруднения с внедрением предложенных резьбовых соединений.Due to the fact that the maximum total thickness of the coatings does not exceed 50 μm, the joint with the coating can be assembled according to the instructions of standard normative documents, in particular, use the established criteria for tightening the joint to determine the correct make-up. This eliminates possible difficulties with the implementation of the proposed threaded connections.
Благодаря тому, что покрытие нанесено методом термодиффузионного цинкования, обеспечивается упрощение, удешевление и экологическая чистота процесса изготовления деталей соединения. Это достигается за счет того, что для цинкования используются обычные порошковые смеси, не содержащие хром, а хром, повышающий качество покрытия, поступает в него в результате термодиффузии из металла деталей.Due to the fact that the coating is applied by the method of thermal diffusion galvanizing, the simplification, cheapening and environmental cleanliness of the manufacturing process of the parts of the connection is ensured. This is achieved due to the fact that galvanizing uses ordinary powder mixtures that do not contain chromium, and chromium, which improves the quality of the coating, enters it as a result of thermal diffusion from metal parts.
Благодаря тому, что покрытие может быть нанесено только на одну из сопрягаемых деталей, упрощается и удешевляется технология нанесения покрытия, в частности, из-за того, что его можно наносить только на короткие муфты или переходники. Это не требует применения технологических установок большой длины.Due to the fact that the coating can be applied only to one of the mating parts, the coating technology is simplified and cheapened, in particular due to the fact that it can be applied only to short couplings or adapters. This does not require the use of technological installations of large length.
Благодаря тому, что микротвердость покрытия превосходит микротвердость детали, по меньшей мере, в 1,5 раза, повышается износостойкость соединения, так как при меньшем повышении микротвердости износостойкость увеличивается незначительно.Due to the fact that the microhardness of the coating exceeds the microhardness of the part by at least 1.5 times, the wear resistance of the compound increases, since with a smaller increase in microhardness, the wear resistance increases slightly.
Благодаря тому, что микротвердость покрытия не превосходит микротвердость детали более чем в 2,2 раза, также повышается износостойкость соединения, так как при большей микротвердости возрастает хрупкость покрытия и опасность повреждения при свинчивании более мягкой сопрягаемой поверхности.Due to the fact that the microhardness of the coating does not exceed the microhardness of the part by more than 2.2 times, the wear resistance of the compound also increases, since with greater microhardness the brittleness of the coating increases and the risk of damage when making up a softer mating surface.
Благодаря тому, что при нанесении покрытия методом термодиффузионного порошкового цинкования критерием завершенности процесса служит не достижение заданной толщины, а содержание хрома в покрытии (2…9%), обеспечивается получение покрытия со свойствами, наилучшими с точки зрения повышения износостойкости соединения.Due to the fact that when coating by thermal diffusion powder galvanizing, the criterion for completing the process is not the achievement of the specified thickness, but the chromium content in the coating (2 ... 9%), the coating is obtained with the best properties in terms of increasing the wear resistance of the compound.
Благодаря использованию одноразовых порошковых смесей обеспечивается возможность получения покрытия с требуемым содержанием хрома без опасения, что его толщина окажется чрезмерной. Это увеличивает выход годных деталей, удешевляя тем самым производство.Thanks to the use of disposable powder mixtures, it is possible to obtain a coating with the required chromium content without fear that its thickness will be excessive. This increases the yield of suitable parts, thereby reducing the cost of production.
Благодаря проведению процесса нанесения покрытия в две стадии, удешевляется производство и повышается его эффективность за счет повышения воспроизводимости результатов процесса и устранения риска получения чрезмерно толстых покрытий.Thanks to the two-stage coating process, production is reduced in cost and its efficiency is increased by increasing the reproducibility of the process results and eliminating the risk of producing excessively thick coatings.
Благодаря тому, что критерием достижения требуемого содержания хрома в покрытии служит микротвердость покрытия, упрощается диагностика качества покрытия, ускоряется процесс подбора оптимального режима в случае смены материала деталей.Due to the fact that the microhardness of the coating serves as the criterion for achieving the required chromium content in the coating, diagnostics of the coating quality is simplified, the process of selecting the optimal mode in case of changing the material of the parts is accelerated.
Благодаря тому, что покрытие наносится на коррозионностойкую сталь с содержанием хрома от 3 до 20%, обеспечивается термодиффузионное поступление хрома в покрытие в количестве, достаточном для придания покрытию свойств, предотвращающих износ соединения.Due to the fact that the coating is applied to corrosion-resistant steel with a chromium content of 3 to 20%, the thermal diffusion of chromium into the coating is ensured in an amount sufficient to give the coating properties that prevent wear of the joint.
Предложенное резьбовое соединение насосно-компрессорных или обсадных труб состоит из элемента (детали) с наружной резьбой - трубы, переходника, часто называемых общим термином «ниппель», и сопрягаемого (свинчиваемого) с ним элемента с внутренней резьбой - переходника или муфты, часто называемых общим термином «муфта». Детали соединения изготовлены из коррозионностойкой (нержавеющей) стали с содержанием хрома от 3 до 20% по массе.The proposed threaded connection of tubing or casing pipe consists of an element (part) with an external thread - a pipe, an adapter, often called the general term "nipple", and a mating (screwed) element with an internal thread - an adapter or coupling, often called a common the term "coupling". Connection details are made of corrosion-resistant (stainless) steel with a chromium content of 3 to 20% by weight.
На резьбовой, уплотнительной и упорной поверхностях одной из сопрягаемых деталей или обеих деталей нанесено защитное покрытие. Назначение покрытия - повысить коррозионную стойкость резьбы, а также уплотнительных и упорных поверхностей как наиболее уязвимых частей деталей, а также повысить износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание. В случае нанесения покрытия только на одну из деталей оно предпочтительно наносится на муфту, так как из-за ее сравнительно небольшой длины это технологически проще. Риск коррозии остающейся без покрытия второй, сопрягаемой детали весьма невелик, поскольку в свинченном состоянии покрытие на одной из деталей, равномерно заполняя зазоры в резьбе, предохраняет от коррозии и вторую деталь. Вне воздействия агрессивной среды, то есть в развинченном состоянии, при хранении или транспортировке, детали из коррозионностойкой стали не коррозируют. Разница в износостойкости соединений, имеющих покрытие на одной или на обеих деталях, есть, но она не настолько значительна, чтобы оправдать затраты по нанесению покрытия на длинномерную НКТ. Если же сопрягаемая с муфтой деталь имеет сравнительно небольшую длину, то покрытие лучше наносить на обе детали.A protective coating is applied to the threaded, sealing and thrust surfaces of one of the mating parts or both parts. The purpose of the coating is to increase the corrosion resistance of the thread, as well as the sealing and thrust surfaces as the most vulnerable parts of the parts, and also to increase the wear resistance of the joint by the number of screwing-unscrewing cycles. In the case of coating only one of the parts, it is preferably applied to the coupling, since due to its relatively short length it is technologically simpler. The risk of corrosion of the second, mating part remaining uncoated is very small, since in the screwed-up state, the coating on one of the parts, evenly filling the gaps in the thread, protects the second part from corrosion. Outside the corrosive environment, that is, in a loose state, during storage or transportation, parts made of corrosion-resistant steel do not corrode. There is a difference in the wear resistance of joints having a coating on one or both parts, but it is not so significant as to justify the cost of coating a long tubing. If the part mating with the coupling has a relatively short length, then it is better to apply the coating to both parts.
Минимальная толщина покрытия на любой из деталей составляет 15 мкм. При меньшей толщине покрытие может оказаться не сплошным. Максимальная суммарная толщина покрытия не должна превышать 50 мкм, независимо от толщины на каждой из деталей. При суммарной толщине свыше 50 мкм и свинчивании соединения стандартным способом с приложением нормированного крутящего момента резьбу, как правило, не удается дотянуть до состояния, которое нормативными документами определено как нормальное. Обычно критерием правильности сборки является совпадение плоскости торца муфты с выходом резьбы на ниппеле. Соединение, недотянутое нормированным крутящим моментом до указанного состояния, по принятым нормам считается бракованным.The minimum coating thickness on any part is 15 microns. With a smaller thickness, the coating may not be continuous. The maximum total coating thickness should not exceed 50 microns, regardless of the thickness on each of the parts. With a total thickness of more than 50 μm and screwing the connection in the standard way with the application of normalized torque, the thread, as a rule, cannot be reached to a state that is defined as normal by regulatory documents. Usually the criterion for correct assembly is the coincidence of the plane of the end face of the coupling with the thread exit on the nipple. A connection that is not reached by the normalized torque to the specified state is considered defective according to the accepted standards.
Среднее массовое содержание хрома в покрытии должно находиться в пределах 2…9%. При меньшем содержании хрома износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание снижается в среднем на 20% за счет уменьшения его твердости и ускоренного истирания. Поэтому 2% хрома в покрытии было принято за нижний предел. При таком содержании хрома микротвердость покрытия приблизительно в 1,5 раза превосходит микротвердость металла деталей.The average mass content of chromium in the coating should be in the range of 2 ... 9%. With a lower chromium content, the wear resistance of the compound by the number of screwing-unscrewing cycles is reduced by an average of 20% due to a decrease in its hardness and accelerated abrasion. Therefore, 2% of the chromium in the coating was taken as the lower limit. With this chromium content, the microhardness of the coating is approximately 1.5 times greater than the microhardness of the metal of the parts.
При содержании хрома свыше 9% долговечность соединения также снижается на 20% и более за счет повышения его хрупкости и частичного срыва с деталей при затяжке. При таком содержании хрома микротвердость покрытия приблизительно в 2,2 раза превосходит микротвердость металла деталей.When the chromium content is more than 9%, the durability of the compound is also reduced by 20% or more due to an increase in its fragility and partial breakdown from parts during tightening. With this chromium content, the microhardness of the coating is approximately 2.2 times greater than the microhardness of the metal of the parts.
Хром располагается неравномерно по толщине покрытия, его наименьшая концентрация установлена вблизи открытой поверхности покрытия. Поэтому, говоря о массовом содержании хрома, всюду подразумевается содержание, усредненное по всей толщине покрытия.Chromium is unevenly distributed over the thickness of the coating; its lowest concentration is set near the open surface of the coating. Therefore, speaking of the mass content of chromium, everywhere is meant the content averaged over the entire thickness of the coating.
Предложенный несложный способ изготовления долговечного сопрягаемых поверхностей резьбового соединения насосно-компрессорных или обсадных труб из стали с содержанием хрома 3…20% заключается в том, что на одну или обе детали резьбового соединения методом термодиффузионного порошкового цинкования наносят цинковое покрытие. Продолжительность процесса цинкования и его температурный режим устанавливают таким, чтобы по его завершении среднее содержание хрома в покрытии составляло 2…9% по массе, а суммарная толщина покрытий на сопрягаемых деталях лежала в пределах 15…50 мкм при минимальной толщине покрытия на одной детали 15 мкм.The proposed simple method of manufacturing durable mating surfaces of a threaded connection of tubing or casing made of steel with a chromium content of 3 ... 20% consists in applying a zinc coating to one or both parts of the threaded joint by thermodiffusion powder galvanizing. The duration of the galvanizing process and its temperature regime are set such that, upon completion, the average chromium content in the coating is 2 ... 9% by weight, and the total thickness of the coatings on the mating parts lies within 15 ... 50 microns with a minimum coating thickness on one part of 15 microns .
В известных технологиях режим процесса нанесения покрытий методом термодиффузионного порошкового цинкования устанавливается исходя из соображений получения бездефектного покрытия заданной толщины. Заявителем установлено, что время достижения требуемой концентрации хрома в покрытии заметно превышает оптимальное время, необходимое для получения цинкового покрытия требуемой толщины, возможно, из-за различий свойств хрома и железа, а также существенно разного содержания их в металле детали.In known technologies, the mode of the coating process by thermal diffusion powder galvanizing is set based on the considerations of obtaining a defect-free coating of a given thickness. The applicant has established that the time to reach the required concentration of chromium in the coating significantly exceeds the optimal time required to obtain a zinc coating of the required thickness, possibly due to differences in the properties of chromium and iron, as well as their significantly different content in the metal of the part.
Обычно применяемые для термодиффузионного порошкового цинкования порошковые многоразовые смеси для осуществления предложенного способа малопригодны. При омолаживании использованной смеси посредством добавления порошка цинка рассчитать требуемое количество цинкового порошка очень трудно. Поэтому применение многоразовых смесей не обеспечивает требуемой для соединений НКТ воспроизводимости параметров покрытия. В предложенном способе используются одноразовые смеси. В каждом случае количество порошковой смеси рассчитывается исходя из площади поверхности обрабатываемой детали и заданной толщины покрытия.The reusable powder mixtures commonly used for thermal diffusion powder galvanizing are of little use for the implementation of the proposed method. When rejuvenating a used mixture by adding zinc powder, it is very difficult to calculate the required amount of zinc powder. Therefore, the use of reusable mixtures does not provide the reproducibility of coating parameters required for tubing connections. In the proposed method, disposable mixtures are used. In each case, the amount of the powder mixture is calculated based on the surface area of the workpiece and the specified coating thickness.
Наиболее общим и самым простым способом получения цинкового покрытия с требуемым содержанием хрома является проведение процесса в две стадии: нанесение цинкового покрытия заданной толщины и выдержка при повышенной температуре для того, чтобы в покрытие продиффундировало требуемое количество хрома из металла детали. Температура выдержки может быть равна температуре нанесения покрытия или, для ускорения процесса, может быть установлена несколько большей. При использовании одноразовой смеси можно держать в реторте деталь сколь угодно долгое время и при этом заданная толщина покрытия не увеличивается.The most common and easiest way to obtain a zinc coating with the required chromium content is to carry out the process in two stages: applying a zinc coating of a given thickness and holding it at an elevated temperature so that the required amount of chromium from the metal of the part diffuses into the coating. The holding temperature may be equal to the temperature of the coating or, to speed up the process, can be set slightly higher. When using a disposable mixture, you can keep the part in the retort for an arbitrarily long time and at the same time, the specified coating thickness does not increase.
При практической реализации предложенного способа удается установить режимы, при которых время нанесения покрытия заявленной толщины и время достижения требуемой концентрации хрома в покрытии максимально совпадают. Параметры режима (время и температура процесса) зависят от требуемой толщины покрытия и марки стали, из которой изготовлена деталь. Эти параметры определяются для каждой толщины и марки экспериментально. Расчетное определение режима затруднено тем, что скорость достижения требуемой концентрации хрома в покрытии не пропорциональна процентному содержанию хрома в стали.In the practical implementation of the proposed method, it is possible to establish modes in which the time of coating of the declared thickness and the time to reach the desired concentration of chromium in the coating match as much as possible. The parameters of the mode (time and temperature of the process) depend on the required coating thickness and the grade of steel from which the part is made. These parameters are determined experimentally for each thickness and grade. The calculated determination of the mode is complicated by the fact that the rate of achievement of the required chromium concentration in the coating is not proportional to the percentage of chromium in the steel.
Например, заявителем установлено, что для изделий из хромосодержащей мартенситной стали 20Х13, которая содержит от 12 до 14 весовых процентов хрома, оптимальная температура процесса цинкования/диффузии составляет 350-440°, предпочтительно 420-430°. При этом продолжительность процесса составляет 4,5 часа, а достигаемая толщина покрытия на ниппеле составляет 20 мкм. Процентное содержание по массе хрома в покрытии оказывается равным 9,65% вблизи детали, 1,12% вблизи поверхности покрытия и 4,17% в среднем по двадцати сечениям.For example, the applicant has established that for products made of chromium-containing martensitic steel 20X13, which contains from 12 to 14 weight percent chromium, the optimum temperature of the galvanizing / diffusion process is 350-440 °, preferably 420-430 °. Moreover, the duration of the process is 4.5 hours, and the achieved coating thickness on the nipple is 20 microns. The percentage by weight of chromium in the coating is equal to 9.65% near the part, 1.12% near the surface of the coating and 4.17% on average over twenty sections.
Процесс определения оптимального режима требует значительного времени из-за необходимости после каждого эксперимента определять содержание хрома в покрытии. Заявителем установлена связь между содержанием хрома и величиной отношения микротвердости покрытия и микротвердости металла детали. Определение микротвердости не требует много времени и подбор оптимального режима осуществляется во много раз быстрее.The process of determining the optimal mode requires considerable time due to the need to determine the chromium content in the coating after each experiment. The applicant has established a relationship between the chromium content and the ratio of the microhardness of the coating and the microhardness of the metal of the part. The determination of microhardness does not require much time and the selection of the optimal mode is many times faster.
Как установлено заявителем, решающее влияние на износостойкость соединений НКТ из коррозионностойких сталей с содержанием хрома 3…20% оказывает не абсолютная величина микротвердости покрытия, а величина его отношения к микротвердости металла детали. Эта величина не зависит от способа определения микротвердости, при условии, что она определялась одним методом и для детали и для покрытия. Точная причина указанной связи пока не установлена, но можно предположить, что при недостаточной величине соотношения (меньшей 1,5), при силовой затяжке соединения сплошность покрытия на гребешках микронеровностей нарушается, и между однородными по своим свойствам поверхностями из высоковязкой хромсодержащей стали появляются своего рода спаи, приводящие к задирам. При величине соотношения, большей 2,2, износостойкость начинает снижаться, возможно, из-за того, что чрезмерно твердое покрытие начинает травмировать ответную, сопрягаемую деталь.As established by the applicant, the decisive influence on the wear resistance of tubing joints from corrosion-resistant steels with a chromium content of 3 ... 20% is exerted not by the absolute value of the microhardness of the coating, but by the magnitude of its relationship to the microhardness of the metal of the part. This value does not depend on the method of determining microhardness, provided that it was determined by one method for both the part and the coating. The exact reason for this connection has not yet been established, but it can be assumed that with an insufficient ratio (less than 1.5), with a force-tightening of the joint, the continuity of the coating on the ridges of microroughnesses is violated, and a kind of welds appear between the surfaces homogeneous in properties of high-viscosity chrome-containing steel leading to badass. When the ratio is greater than 2.2, the wear resistance begins to decline, possibly due to the fact that an excessively hard coating begins to injure the mating part.
В результате стендовых испытаний соединений, изготовленных предложенным способом, установлено, что их износостойкость превышает 40 циклов свинчивание-развинчивание. Герметичность соединений, проверенная после сорокового цикла испытаний, оставалась безупречной.As a result of bench tests of compounds made by the proposed method, it was found that their wear resistance exceeds 40 cycles of screwing-unscrewing. The tightness of the compounds, tested after the fortieth test cycle, remained flawless.
Результаты испытаний свидетельствуют о высокой долговечности предложенных соединений и эффективности предложенного способа изготовления износостойких соединений.The test results indicate the high durability of the proposed compounds and the effectiveness of the proposed method for the manufacture of wear-resistant compounds.
Осуществление предложенного способа не требует нового оборудования или переделок хорошо освоенного и широко применяемого оборудования для нанесения термодиффузионных цинковых покрытий.The implementation of the proposed method does not require new equipment or alterations of well-developed and widely used equipment for applying thermal diffusion zinc coatings.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144306/06A RU2384789C1 (en) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144306/06A RU2384789C1 (en) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2384789C1 true RU2384789C1 (en) | 2010-03-20 |
Family
ID=42137443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008144306/06A RU2384789C1 (en) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2384789C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676340C1 (en) * | 2017-12-04 | 2018-12-28 | Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК") | Nipple-coupling threaded connection with thermodiffusion zinc coating |
-
2008
- 2008-11-10 RU RU2008144306/06A patent/RU2384789C1/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676340C1 (en) * | 2017-12-04 | 2018-12-28 | Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК") | Nipple-coupling threaded connection with thermodiffusion zinc coating |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA3008781C (en) | Threaded connection for pipe or tube and method for producing the threaded connection for pipe or tube | |
| EP1705265B1 (en) | Surface adjustment treatment prior to chemical treatment of steel product | |
| CN108474502B (en) | Threaded joint for pipes and method for manufacturing threaded joint for pipes | |
| WO1996010710A1 (en) | Steel pipe joint having high galling resistance and surface treatment method thereof | |
| EA037192B1 (en) | Threaded joint for pipes or tubes and method for producing threaded joint for pipes or tubes | |
| CA3028938C (en) | Threaded connection for pipe and method for producing threaded connection for pipe | |
| JP6964678B2 (en) | Manufacturing method of threaded joints for pipes and threaded joints for pipes | |
| AU2017346799B2 (en) | Threaded connection for pipe and method for producing threaded connection for pipe | |
| JPH08233164A (en) | Screw joint excellent in seizure resistance with no lubricant applied | |
| RU2384789C1 (en) | Connection of corrosion-resistant casing or lifting pipes and method of connection fabrication | |
| JPH08233163A (en) | Screw joint excellent in seizure resistance with no lubricant applied | |
| RU82808U1 (en) | WEAR-RESISTANT JOINT OR PUMPING COMPRESSOR PIPES | |
| RU2244094C1 (en) | Connecting sleeve for oil assortment pipes and method for applying iron-zinc cover at threaded portions | |
| WO2023243170A1 (en) | Metal pipe for oil well | |
| RU2676340C1 (en) | Nipple-coupling threaded connection with thermodiffusion zinc coating | |
| EA045795B1 (en) | METAL PIPE FOR OIL WELL AND METHOD OF ITS MANUFACTURE | |
| Rosas et al. | Effect of Cycling Torqueing on the Corrosion Resistance and Nut-Factor Consistency of Coated High-Strength Steel Bolting | |
| OA18803A (en) | Threaded joint for pipe, and manufacturing method of threaded joint for pipe. | |
| OA18804A (en) | Threaded Joint for pipe and manufacturing method of threaded Joint for pipe. | |
| OA19285A (en) | Threaded joint for pipe and method for manufacturing threaded joint for pipe. | |
| OA18972A (en) | Screw joint for pipe and manufacturing method for screw joint for pipe | |
| JPH08303656A (en) | Screw joint excellent in seizure resistance property under non-lubrication | |
| MXPA06006245A (en) | Surface adjustment treatment prior to chemical treatment of steel product |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20161128 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171111 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190125 |