NO841957L - Fremgangsmaate for beskyttelse av skruegjenger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for beskyttelse av skrue-gj enger.

Ved skjøter i ledninger (rørledninger) er det vanlig å benytte

et tilsettingsmiddel eller tetningsmiddel på de sampassende skruegjenger for smøring av gjengene og minimalisering av faren for lekkasje. Slike midler vil vanligvis ikke by på noen vanskeligheter under bruk når det innvendige trykk i rørledning-en er lavt og omgivelsestemperaturen er moderat (dvs. romtempe-ratur) , men man kan støte på vesentlig større vanskeligheter når det forekommer høye trykk og temperaturer, slik tilfellet er eksempelvis ved produksjon og reinjisering av rørstrenger for olje- og gassbrønner.

Problemene i forbindelse med høye trykk i gass- og oljebrønner har resultert i utviklingen av smøremidler (eller tilsetningsstoffer) med en hydrokarbon-fettbasis og med tilsetning av forholdsvis store partikler (størrelsesordenen 100 mikron) av kopper, grafitt, sink, bly eller andre materialer eller bland-inger derav. Disse vil ha en tendens til å samle seg ved tann-røttene i de sampassende skruegjenger og i teorien vil disse partiklene hindre at det danner seg skruelinjeformede lekkasjebaner. Høye temperaturer vil imidlertid gi redusert viskositet for basisen, og under høye trykk vil det kunne dannes en lekkasjebane mellom de forholdsvis store partikler. Lekkasjebanen langs skruegjengen vil ikke ha noen alvorlige følger såfremt de spesielt anordnede tetningsflater er i fullt kontaktsamvirke, men det foreligger en fare for at tetningsflåtene i praksis ikke er helt ut virksomme dersom tilstrammingsmomentet ikke har bevirket fullstendig utflating av de grove partikler som ligger på skulderen eller et annet endeanslag for de to sampassende gjenger. Det foreligger også en fare for at tetningsflåtene kan ødelegges av de grove partiklene.

Man har prøvet rørstrenger (rørledninger) før selve installa-sjonen, for derved å oppspore eventuelle lekkasjer, men de hit til anvendte stoffer har skjult lekkasjene, som således bare kommer frem når rørledningen er i bruk. De konvensjonelle og hittil foreslåtte stoffer som påstås å hindre lekkasje i skad-ede eller defekte koplinger, vil således i praksis bare skjule lekkasjene helt til rørledningen er ført ned i en brønn. På dette tidspunkt vil det være vanskelig og dyrt å utbedre lekkasjene .

Det foreligger derfor et behov for å unngå bruk av stoffer med grove partikler og med en viskøs bærer som temporært kan hindre en lekkasje. Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en fremgangsmåte for beskyttelse av sampassende skruegjenger i det minste under innvirkningen av et tiltrekningsmoment. Fremgangsmåten består i at det påføres et tørrfilm-smøremiddel på den ene skruegjengen, at det påføres et flytende smøremiddel på den andre skruegjengen, og at skruegjengene skrus sammen og trekkes til med den ønskede momentverdi, idet det flytende smøremiddel i hovedsaken ikke har noen oppløsende innvirkning på tørrfilm-smøremiddelet. Denne fremgangsmåten tjener både til å beskytte de sampassende gjenger og til å unngå skjulingen av lekkasjebaner mellom gjengene.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det også en fremgangsmåte for beskyttelse av skruegjenger og tetningsflater på sampassende skruegjengede elementer, i det minste under et tiltrekkingsmoment, hvilken fremgangsmåte består i at det sprøytes et tørr-film-smøremiddel i en flyktig bærer på en hungjenge, bæreren tillates å fordampe, det påføres et flytende smøremiddel på hangjengen, og at deretter gjengene med en gang sampasses og trekkes til med den ønskede momentverdi. Det flytende smøremiddel har gode fukteegenskaper og lav viskositet, og fremgangsmåten vil gi beskyttelse for gjengene og tetningsflåtene mot skader og vil hindre skjuling av lekkasjebaner under utprøvinger.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene hvor: Fig. 1 viser et snitt gjennom en vanlig skruegjengeforbindelse av den type som eksempelvis benyttes i rørstrenger i olje-og gassbrønner, og

fig. 2 viser et snitt gjennom en annen vanlig skruegjengeforbindelse, av den type som anvendes i et foringsrør.

På tegningene er klaringer i skjøtforbindelsen overdrevet, for derved å anskrueliggjøre oppfinnelsen. De sammenskjøtede elementer har gjenger av trapestypen. Den i fig. 1 viste gjengefor-bindelse brukes i stor utstrekning ved sammenkopling eller sammenskjøting av olje- og gassledninger, eksempelvis rørstrenger og foringer i olje-/gassbrønner.

Skruegjengene 10, 12 på de respektive elementer 14, 16 har

skrå flanker 18 og 20 og flanker 22 og 24 som går i hovedsaken i rett vinkel på rørstrengens lengdeakse. Gjengetoppene 26, 28 vil i praksis ikke ligge tettende an mot gjengebunnene 30, 32,

og det dannes derfor skruelinjeformede spalter 34, 36. Flankene 18, 20 og 22, 24 derimot ligger tettende an mot hverandre, og her vil det vanligvis ikke dannes noen lekkasjebaner.

Ved bruk av trapesgjenger og når man ønsker fullstendig tetning, inkorporeres vanligvis minst en metall-metall-tetningssone 40 som er dimensjonert slik at når gjengene er i fullt samvirke og tilstrammet vil tetningssonen ha kompresjonskontaktsamvirke slik at det her ikke kan oppstå noen lekkasjer.

Som vist på tegningen befinner tetningssonen seg mellom den ene enden av det ene element 16 og bunnenden i det andre element 14. De her utformede tetningsflater vil komprimeres mot hverandre når gjengene er fullt tiltrukket, og skulderflåtene 46, 48 vil da ha tett kontakt med hverandre, for å oppnå den ønskede komp-rimering mellom tetningsflåtene i sonen 40 er flatene anordnet slik i forhold til hverandre at det oppnås en kontakt i en vin-kelstilling litt før skulderne 46, 48 får innbyrdes anslag, slik at når skulderne ligger helt an mot hverandre vil tetnings- flatene være lettere deformert og stå under kompresjonsbelast-ning. På tegningen er flatene 42, 44, 46 og 48 vist med innbyrdes avstand, men under fullt dreiemoment vil de motliggende flater 46, 48 ha tettende kontaktsamvirke med hverandre, og kontakten vises da bare som en enkelt linje. Flatene 42, 44 har aldri kontakt, selv ikke når elementene 14, 16 er under fullt tiltrekningsmoment.

Gjengene i fig. 2 er også av trapestypen, men i en noe annen ut-førelse, slik det går frem av fig. 2. De to sammenskrudde elementer er i fig.- 2 betegnet med henholdsvis 50 og 52. Gjengetoppene er betegnet med 54, 56, og gjengebunnene er betegnet med 58, 60. Ved denne ellers konvensjonelle gjengeutforming er i noen tilfeller den siste vindingen 62 på elementet 50 utformet med trekanttverrsnitt, mens tilsvarende vinding på elementet 52 bibeholder trapesformen. Det fremkommer derfor en i hovedsaken ringformet klaring 64, slik at det ikke oppstår noen kontakt mellom skruelinjene 66 og 68 når elementene 50, 52 er skrudd sammen og strammet. En endedel 70 på elementet 50 er utformet med en flate 72 som i hovedsaken er en ringflate, men har kon-veks form i tverrsnittet. Denne flaten 72 samvirker med en tilsvarende indre ringflate 74 som har konkavt tverrsnittsform,

men en annen krumning, slik at kontakten mellom flatene 72 og 74 bare vil skje over en relativ liten del av flatearealet, slik det er antydet i fig. 2. Det skjer en deformering i ringkontakt-sonen 76, slik at man her i teorien får en perfekt tetning. Også her forefinnes det flater 78, 80, som svarer til de tidligere omtalte flater 46, 48 i fig. 1, hvilke flater har innbyrdes an-leggssamvirke når skrueforbindelsen er helt tilstrammet, men i fig. 2 er disse flater vist med innbyrdes avstand, slik at man kan skjelne de enkelte flater fra hverandre.

Det er vanlig praksis å belegge skruegjengene med et hydrokarbon-fett-basert smøremiddel og et sekundært tetningsmiddel (på engelsk vanligvis kalt "dope") som inneholder myke metallpart-ikler av ulike dimensjoner, opptil ca. 100 mikron. Ved fullt tiltrekningsmoment vil dette tilsetningsstoffet samle seg i de skruelinjeformede gap 34, 36 og 64. Tilsetningsstoffet fanges også opp i tetningssonene 40, 76 og kan her virke forstyrrende på tetningsvirkningen fordi tiltrekningsmomentet derved kan komme for tidlig til virkning i flatene i tetningssonene 40, 76 som følge av at skulderne 46, 48 (fig. 1) 78, 80 (fig. 2) ikke får skikkelig anlegg, rør- og koplingsfabrikanter angir spesielle tiltrekningsmoment-korreksjonsfaktorer i avhengighet av de spesielle tilsetningsstoffer som benyttes, og hvis man ignorerer disse faktorer foreligger det en vesentlig fare for at man ikke får en tetning som virker ved trykk i størrelsesområdet 420 kg/ cm<2>og mer. Dersom man ignorerer de nevnte faktorer, foreligger det også en fare for at det anvendes et for høyt tiltrekningsmoment, med beskadigelse av tetningsflåtene.

En slik manglende effektiv tetning anses vanligvis ikke å være vesentlig, i hvert fall ikke under den første levetidsperioden i en brønn. Grunnen til dette er at tilsetningsstoffet i de skruelinjeformede spalter 34, 36, 64 vil hindre en lekkasje.

I noen tilfeller vil imidlertid de høye temperaturer i noen brønner bevirke en viskositetsreduksjon i hydrokarbon-bæreren og metallpartiklene vil da alene ikke kunne hindre en lekkasje. Grunnen til dette er at avstanden mellom partiklene lett mulig-gjør en oppbygging av en lekkasjebane, særlig under et høyt trykk.

Lekkasjer av denne type kan ikke alltid oppdages før installeringen, og grunnen til dette er nettopp tilstedeværelsen av et tilsetnigsstoff. Selv med en avansert prøve som beskrevet i norsk patentsøknad nr. 802392 kan man ikke alltid oppdage slike lekkasjer. Årsaken til at man ved slike utprøvinger ikke alltid vil oppdage en lekkasje ligger i selve tilsetningsstoffet. En av hensiktene med tilsetningsstoffet er å oppnå en permanent lekk-as j ehindring . Høye temperaturer skal utlignes av de myke metall-partikler, men deres relativt store dimensjoner gir altfor lett adgang til dannelse av lekkasjebaner i fravær av fett eller smurning.

Det er en kjent egenskap ved molybden-disulfid at det vil binde seg til en stålflate slik at det fremkommer et lag av MbS2med molekylærtykkelse. Molybden-disulfid i en oljeaktig bærer er velkjent som smøremiddel for bevegelige deler og tilsettes vanlig smøreolje.

Et vesentlig trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er

at før de to med skruegjenger forsynte elementer (av stål eller stållegeringer), i utførelser som eksempelvis vist i fig. 1 eller fig. 2, påføres et tørrfilm-lag av molybden-disulfid eller et koloidalt element såsom grafitt eller polytetrafluoretylen på den ene skruegjenge, fortrinnsvis hungjengen (muffen). Molybden-disulfid eller et annet tørrfilm-smøremiddel er opptatt i en lavviskøs-bærer, såsom trikloretylen, trikloretan eller en fluorklorhydrokarbon. Sistnevnte er særlig anvendbar dersom den aktive bestanddel skal påføres i aerosolform, idet det da dannes et tynt lag på skruegjengen og særlig på metall-metall-kontakt-partiene i tetningssonen 40, 7 6 og på gjengeflankene 18 og 22; 55, 57. Det laget som påføres gjengetoppene og gjengebunnene 30, 36; 54, 56, 58, 60, vil være ineffektivt, fordi hensikten med laget på tetningflaten og på flankene er å hindre gnaging når gjengene strammes eller slakkes. Mengden av molybden-disulfid i den lavviskøse eller flyktige bærer vil vanligvis ligge på under 10 vekt-%, selv om det er mulig med andeler på fra H til 25 vekt-%. Etter at molybden-disulfidet er sprøytet på, tillates det å tørke en kort periode før gjengene skrus sammen. Det benyttes fordelaktig en ketonisk harpiks for å gi en rask binding av filmen til skruegjengene.

Selv om det foretrekkes å benytte en forbindelse såsom molybden-disulfid, fordi denne forbindelsen har sterk affinitet til stål og stållegeringer, kan man også benytte koloidal-grafitt eller polytetrafluoretylen-baserte substanser. Noen av disse materialer vil kunne tåle temperaturer opptil minst 400°C. Molybden-disulfidet eller et annet tørrfilm-smøremiddel utgjør et beskyttelsesmiddel innenfor rammen av oppfinnelsen. Molybden-disulfid eller et annet tørt smøremiddel benyttes fortrinnsvis i form av en blanding av det tørre smøremiddel, en harpiks og en lavviskøs bærer. Man kan benytte en hvilken som helst harpiks som vil bevirke en klebing av en tørr film til en metallplate, men den harpiks som anbefales benyttet er ketonisk harpiks.

Bruk av et tørrfilm-smøremiddel alene vil være forbundet med

den ulempe at når tiltrekningsmomentet har bragt gjengene til en liten vinkelavstand fra anslagssamvirket mellom skulderne 46, 48; 78, 80 vil det anvendte moment stige brått som følge av fraværet av hydrodynamisk (trykk)-smøring som ved vanlige tilsetningsstoffer. Et hydrodynamisk trykk vil bygge seg opp over alt der hvor det foreligger kontakt. Vanligvis vil tiltrekkingsmomentet for den siste tiltrekkingen være høyere enn det som kreves for konvensjonelle API (American Petroleum Institute)-modifiserte tilsetningsstoffer.

For å redusere tiltrekkingsmomentet, særlig når det nærmer seg maksimalverdien, belegges hangjengen (tappen) med et modifiser-ingsfluidum som ikke virker oppløsende på tørrfilm-smøremiddelet på hungjengen. Et egnet modifiseringsmiddel er et lavviskøst vandig materiale som inneholder en liten mengde av et fukte-middel/overflatespenningsreduserende middel (0,1 til 1%) pluss en korrosjonsinhibitor. Et typisk fuktemiddel/overflatespenningsreduserende middel er WS 50 som leveres av BOC-Nowsco Limited. Dette er et ikke-ionisk middel som inneholder etylenoksyd-grupper og metanol. Fuktemiddelet kan være glycerin. Det flytende modifiseringsmiddel kan betraktes som et andre beskyttelsesmiddel. Dersom hangjengen belegges med tørrfilm-smøremiddel så påføres det "fuktige" smøremiddel naturligvis på hungjengen.

En tyspisk sammensetning for det fuktige smøremiddel er 50% vann, 47,9% metanol, 2% korrosjonsinhibitor (eksempelvis "CRODIN" - varemerke) og 0,1% av et friksjonsreduksjonsmiddel (eksempelvis FC 760) som også bidrar til å redusere overflate-spenningen og således bedre fuktbarhetsevnen.

Som et alternativ til det vannbaserte fuktige flytende smøre-middel kan det anvendes silikoner, herunder fluorinerte silikoner. Et generelt krav for det "fuktige" smøremiddel er at det skal ha god fuktbarhetsegenskap, lav viskositet og skal kunne bibeholde disse egenskaper selv ved lave temperaturer, eksempelvis ned til minus 40°C.

For å sikre at gjengebeskyttelsen virker over hele gjengen er det ønskelig at gjengen først rengjøres godt. En måte å gjøre dette på er å påføre en aerosol av luft og smøremiddel-. oppløsningsmiddel på den aktuelle gjenge og deretter umiddelbart sprøyte det tørre smøremiddel på muffegjengen og tillate det tørre smøremiddel å tørke fullstendig før det "fuktige" smøre-middel påføres tappgjengen. En fordamping av smøremiddel-oppløs-ningsmiddelet kan fremmes ved hjelp av en luftstrøm.

Det er vanlig at slakkemomentet kan være ca. 40% høyere enn tiltrekkingsmomentet. De beskyttelsesmideler som benyttes ved ut-øvelse av oppfinnelsen vil ikke i vesentlig grad påvirke dette forhold, hva enten det tørre beskyttelsesmiddel forefinnes under slakkingen eller begge midler forefinnes. Dette høyere slakkemoment eller løsbrytingsmoment er ønskelig fordi det ellers foreligger en fare for at koplingen vil løsne utilsiktet.

Nedenfor er det angitt noen prøveresultater hvor det er foretatt en sammenligning mellom forskjellige parametre for beskyttelses-midler i samsvar med oppfinnelsen og et konvensjonelt API-modifisert tilsetningsmiddel. De tall som er gitt i forbindelse med momentfaktoren gjelder det avsluttende tilstrammingsmoment.

Den foran beskrevne fremgangsmåte vil sikre at lekkasjeprøver for rørstrenger før installeringen vil være representative for forholdene også etter installeringen, under hvilke forhold det vil kunne forekomme en viskositetssenking for hydrokarbon-fettet i konvensjonelle tetningsmidler. Den tynne film som tilveiebring-es av tørrfilm-middelet vil ikke forstyrre tetningsvirkningen mellom gjengeflankene eller i de spesielle tetningssoner ved endene av skruegjengene. Eventuelle lekkasjer ved de spesielle tetningsflater 42, 44; 76 vil ikke skjules fordi nemlig den skruelinjeformede bane mellom skruelinjeflåtene bare vil være blokkert av det lavviskøse vandige materiale eller det andre fuktige smøremiddel og en hver lekkasjestrøm gjennom den skruelinjeformede bane vil således danne en passasje gjennom mater-ialet. Midlene tjener til å eliminere (eller i hvert fall å redusere faren for) gnaging på gjengene, slik at løsbryting av gjengeforbindelsen ikke hindres. Den meget lille partikkel-dimensjon - i størrelsesordenen 1 mikron - eliminerer faren for at det dannes lekkasjebaner i tetningssonene.

Tilsettingen av et flytende modifiseringsmiddel til tørrfilm-smøremiddelet tjener til reproduksjon av de typiske verdier ved tiltrekking og løsbryting (momentverdier) som man kjenner fra de vanlige anvendte smøremidler/tetningsmidler.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte ved beskyttelse av sampassende skruegjenger og tilhørende tetningsflater i det minste under et tiltrekningsmoment, kjennetegnet ved at det påføres et tørrfilm-smøremiddel på den ene skruegjengen, at det påføres et flytende smøre-middel på den andre skruegjengen, og at skruegjengene skrus sammen og strammes til den ønskede momentverdi, idet det flytene smøremiddel ikke har noen vesentlig oppløsende innvirkning på tørrfilm-smøremiddelet, hvorved det oppnås en beskyttelse for de sampassede gjenger og tetningsflater og eventuelle lekkasjebaner mellom gjengene og tetningsflåtene ikke skjules.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som tørrfilm-smøremiddel anvendes et middel som innbefatter molybden-disulfid.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som tørrfilm-smøremiddel anvendes kolloidal-grafitt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tørrfilm-smøremiddelet velges fra gruppen av poly-tetraf luoretylener .

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at tørrfilm-smøremiddelet påføres skruegjengen og tetningsflaten i en lavviskøs bærer.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at det som bærer anvendes trikloretylen, trikloretan eller en fluorklorhydrokarbon.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at det som lavviskøs bærer anvendes en som innbefatter en ketonisk harpiks.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 5, 6 eller 7, karakterisert ved at andelen av tørrfilm-smøremiddel i bæreren velges i området h til 125%.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1.8, karakterisert ved at det flytende smøremiddel er vandig og innbefatter en mengde av et fuktemiddel/overflatespenningsreduserende middel.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at fuktemiddelet/det overflatespenningsreduserende middel er en ikke-ionisk forbindelse som innbefatter etylen-oksydgrupper og metanol.

11. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-10, karakterisert ved at hver av skruegjengene har et tilstøtende tetningsområde som under fullt tiltrekkingsmoment har innbyrdes tetningskontakt, idet disse områder belegges med henholdsvis tørrfilm-smøremiddelet og det flytende smøremiddel.

12. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at tørrfilm-smøremiddelet påføres hungjengen .