PL203768B1 - Połączenie gwintowe rur stalowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest połączenie gwintowe rur stalowych zaopatrzone w powłokę smarującą na powierzchni, a w szczególności połączenie gwintowe, w którym powłoka smarująca odpowiada za zwiększenie odporności na zacieranie, tym samym umożliwiając wielokrotne skręcanie i luzowanie połączenia. Powłoka charakteryzuje się przy tym ograniczoną tłustością, co pozwala z kolei na ograniczenie zjawiska przywierania substancji obcych do powłoki.

Rury stosowane w szybach naftowych, takie jak przewody rurowe i orurowanie znajdujące zastosowanie przy wierceniu szybów naftowych lub gazowych, łączone są ze sobą zwykle z zastosowaniem połączeń gwintowych. W przeszłości głębokość szybów naftowych wynosiła zwykle 2000 do 3000 metrów, zaś w ostatnich czasach głębokość szybu może sięgać 8000 do 10000 metrów w przypadku podmorskich pól naftowych oraz innych głębokich szybów.

Połączenie gwintowe stosowane w przypadku rur w szybach naftowych poddawane jest działaniu różnych sił w swym otoczeniu, w tym obciążeniu, takiemu jak osiowe siły rozciągające wywoływane przez ciężar rury stosowanej w szybie naftowym oraz elementu łączącego, ciśnieniu, na które składa się ciśnienie wewnętrzne i ciśnienie zewnętrzne, a ponadto ciepłu geotermicznemu rosnącemu wraz z głębokością. W związku z tym połączenie gwintowe powinno się odznaczać gazoszczelnością bez ryzyka przerwania w panujących wewnątrz szybu warunkach.

Podczas procesu opuszczania przewodów rurowych lub orurowania do wnętrza szybu utworzone połączenie musi zostać poluzowane, a następnie ponownie skręcone. Zgodnie z wymogami Amerykańskiego Instytutu Naftowego (American Petroleum Institute, w skrócie API) nie dopuszcza się do znaczącego zacierania, jakiego nie sposób później usunąć. Z kolei stawiany jest wymóg gazoszczelności nawet wówczas, gdy skręcanie połączenia oraz jego luzowanie miałoby odbywać się dziesięciokrotnie w przypadku połączeń przewodów rurowych oraz trzykrotnie w przypadku połączeń orurowania, jakie charakteryzują się większą średnicą niż połączenia przewodów rurowych.

Aby sprostać powyższym wymogom, powszechnie stosowano specjalne połączenie gwintowe, obejmujące część połączenia metal-metal pozbawioną gwintu (zwaną dalej „częścią niegwintową) oraz część gwintową, które pozwala na utworzenie szczelnego połączenia metal-metal w celu poprawienia jego gazoszczelności. W przypadku połączenia gwintowego tego rodzaju zazwyczaj na zewnętrznej powierzchni obu końców rur stosowanych w szybach naftowych formowany jest sworzeń, przy czym obejmuje on część z gwintem zewnętrznym oraz część niegwintową. Z kolei na powierzchni wewnętrznej odrębnego elementu łączącego w kształcie rękawa formowana jest tuleja współpracująca, przy czym element ten obejmuje część z gwintem wewnętrznym oraz część niegwintową, współpracujące odpowiednio z częścią gwintową i niegwintową sworznia. Po skręceniu sworznia z elementem łączącym dysponującym tuleją współpracującą w celu zaciśnięcia połączenia między nimi, niegwintowane części sworznia oraz tulei przylegają ściśle do siebie, tworząc szczelne połączenie metal-metal.

Aby zagwarantować odpowiednie właściwości szczelnego połączenia metal-metal w połączeniu gwintowym w środowisku wewnątrz szybu naftowego, konieczne jest zapewnienie bardzo wysokiego ciśnienia działającego na niegwintową część podczas skręcania połączenia. Wysokie ciśnienie wiąże się jednak ze znacznym ryzykiem zatarcia. W związku z tym przed przystąpieniem do skręcania połączenia w miejscu połączenia metal-metal oraz w miejscu rozmieszczenia gwintu nanoszony jest smar, zwany smarem mieszanym, jaki w temperaturze pokojowej stanowi lepki płyn. W ten sposób wzrasta odporność połączenia tego rodzaju na zatarcie, a ponadto poprawie ulega jego gazoszczelność.

Niemniej smar mieszany tego rodzaju zawiera znaczne ilości proszku metalu ciężkiego, takiego jak ołów, cynk lub miedź. W trakcie wymywania smaru mieszanego nanoszonego na połączenie gwintowe istnieje ryzyko skażenia środowiska. Co więcej, zastosowanie smaru mieszanego niekorzystnie wpływa na środowisko pracy i obniża jej efektywność. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na połączenie gwintowe, jakie znajduje zastosowanie bez konieczności użycia smaru, takiego jak smar mieszany.

Odnośnie połączeń gwintowych niewymagających zastosowania smaru w publikacjach JP 08-103724 A1 (1996), JP 08-233163 A1 (1996) i JP 08-233164 A1 (1996) zaproponowano zastosowanie połączenia gwintowego, w którym na niegwintowej części sworznia lub tulei w obrębie połączenia gwintowego formowana jest powłoka smarująca na bazie stałego smaru (zwana dalej „stałą powłoką smarującą), w skład której wchodzi stały smar, taki jak disiarczek molibdenu, związany z zastosowaniem żywicy, takiej jak żywica epoksydowa.

PL 203 768 B1

Niemniej, nie jest łatwo uzyskać stałą powłokę smarującą o jednorodnej grubości wzdłuż gwintu oraz niegwintowej części połączenia gwintowego. Wówczas, gdy powłoka charakteryzuje się nierównomierną grubością, konieczne jest zastosowanie bardzo wysokiego ciśnienia w rejonie, gdzie powłoka smarująca jest grubsza, aby prawidłowo zacisnąć połączenie gwintowe. W efekcie wzrasta moment dokręcania połączenia, względnie gwint ulega odkształceniom, co prowadzi z kolei do zacierania połączenia. Z drugiej strony na obszarze, gdzie powłoka smarująca jest cieńsza, ilość smaru może się okazać niewystarczająca lub może dojść do rdzewienia.

Nawet wówczas, gdy formowana jest stała powłoka smarująca jednakowej grubości, łatwo dojść może do zacierania połączenia w razie wielokrotnego skręcania i luzowania połączenia lub obecności substancji obcych. Z obecnością substancji obcych należy się liczyć przykładowo wówczas, gdy rura stosowana w szybach naftowych ustawiana jest w pionie w celu utworzenia połączenia z zastosowaniem połączenia gwintowego, czemu towarzyszy przelatywanie wewnątrz rury rdzy tworzącej się na wewnętrznej ścianie rury lub ziaren stosowanych do usuwania zgorzeliny, pozostawionych we wnętrzu rury. Wówczas część zanieczyszczeń przywiera do gwintu lub niegwintowej części połączenia.

Stała powłoka smarująca charakteryzuje się niską plastycznością oraz płynnością, w wyniku czego narażona jest na łuszczenie się. W opisanych wyżej warunkach podczas skręcania połączenia gwintowego część gwintu lub niegwintowych części połączenia poddawana jest bardzo wysokiemu ciśnieniu, w wyniku czego dochodzi do lokalnego odkształcenia plastycznego jedynie w tej części połączenia, co prowadzi do łuszczenia stałej powłoki smarującej i odsłonięcia znajdującej się pod nią powierzchni metalu. Wówczas - nawet w przypadku, gdy odsłonięta powierzchnia metalu jest niewielka - z łatwością dochodzi do zacierania połączenia.

Kolejną słabą stroną stałej powłoki smarującej jest to, że dysponuje ona niedostatecznymi właściwościami ochrony przed rdzą, aby właściwie zabezpieczyć połączenie gwintowe przed korozją w trakcie okresu składowania materiałów przed ich zastosowaniem w szybie naftowym. Jako że rdza charakteryzuje się niską smarownością, powstawanie rdzy oraz towarzyszące temu zjawisku tworzenie się bąbli lub łuszczenie stałej powłoki smarującej sprawiają, że moment dokręcania połączenia staje się nierównomierny, co często prowadzi do zacierania lub ograniczenia stopnia gazoszczelności uzyskiwanego w wyniku skręcania połączenia.

Z drugiej strony w przypadku pł ynnego smaru, takiego jak smar lub olej w postaci pł ynnej w temperaturze pokojowej, smar znajdujący się w szczelinach gwintu lub wewnątrz zagłębień w nierównej powierzchni połączenia gwintowego może wyciekać na zewnątrz pod wpływem działania nacisku w trakcie skręcania połączenia. W efekcie, nawet wówczas, gdy wysokiemu naciskowi poddawana jest tylko część połączenia gwintowego, płynny smar może przeniknąć do tej części w wyniku przesączania, co pozwala zapobiec zacieraniu połączenia. Takie działanie ciekłego smaru określane jest mianem funkcji samonaprawy. Zasadniczo im większa płynność ciekłego smaru (to jest im mniejsza jest jego lepkość), tym większa jest jego zdolność do samoczynnej naprawy połączenia. Co więcej, ciekły smar posiada korzystne właściwości zapobiegania rdzy.

Niemniej spośród stosowanych typowo ciekłych smarów te, które charakteryzują się korzystnymi właściwościami zapobiegania zacieraniu i które można stosować w przypadku połączeń gwintowych obejmujących część szczelnego połączenia metal-metal, zawierają znaczną ilość metali ciężkich, jak to ma miejsce w przypadku smaru mieszanego, co z kolei pociąga za sobą zagrożenie dla środowiska. Co więcej, zastosowanie ciekłego smaru lub tłuszczu smarującego powoduje, że powierzchnia połączenia gwintowego staje się tłusta, co z kolei prowadzi do przywierania do gwintu oraz niegwintowej części połączenia substancji obcych, takich jak żwir, piasek oraz pył. W szczególności wówczas, gdy rura stosowana w szybach naftowych ustawiana jest w pionie w celu utworzenia połączenia, przez rurę przelatuje rdza oraz ziarna stosowane do usuwania zgorzeliny. Wówczas, o ile powierzchnia połączenia gwintowego jest tłusta, przywiera do niej znaczna część rdzy i ziaren stosowanych do usuwania zgorzeliny. W efekcie w przypadku ciekłego tłuszczu smarującego, jaki powinien spełniać funkcję samonaprawy, trudno uzyskać dostateczną smarowność, co z kolei wiąże się z tym, że wielokrotne skręcanie oraz luzowanie połączenia prowadzić może do jego zacierania.

W dokumencie JP 58179295 ujawniono powłokę z kwasu szczawiowego nakładaną na powierzchnię sworzni i nakrętek wykonanych ze stali nierdzewnej i pokrywaną smarem ze specjalnej emulsji wodnej. Pomimo, że emulsja wodna zawiera olej i wosk, jest to jednak zawsze emulsja w postaci ciekłej, nigdy zaś stałej lub pół-stałej.

W dokumencie JP 2142895 ujawniono rozwiązanie mają ce na celu poprawę termoutwardzalności i własności uszczelniających w wysokich temperaturach w połączeniach typu metal-metal przez

PL 203 768 B1 zmieszanie specjalnego smaru na bazie kompozycji mydła wapniowego ze stałym smarem i proszkiem miękkiego metalu.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest połączenie gwintowe na potrzeby rur stalowych, w przypadku którego ograniczono lub w ogóle wyeliminowano niekorzystne zjawiska towarzyszące zastosowaniu stałej powłoki smarującej oraz ciekłego smaru.

W szczególnoś ci przedmiotem niniejszego wynalazku jest połączenie gwintowe na potrzeby rur stalowych, w którym zastosowano powłokę smarującą o ograniczonej tłustości, która daje połączenie o korzystnych wł a ś ciwoś ciach przeciwdziałania zacieraniu oraz rdzy bez koniecznoś ci zastosowania tłuszczu smarującego zawierającego metal ciężki.

Jak wspomniano wyżej, ciekły smar umożliwia samonaprawę, a zarazem posiada korzystne właściwości zapobiegania rdzy, co oznacza, że jego zastosowanie w procesie smarowania połączenia gwintowego rur stalowych (gdzie wymagane są właściwości zapobiegania zacieraniu w trakcie powtarzających się operacji skręcania i luzowania połączenia) jest korzystniejsze niż zastosowanie stałej powłoki smarującej. Niemniej, w celu uzyskania wysokiej smarowności, jaka wymagana jest, aby zapewnić właściwości przeciwdziałania zacieraniu części szczelnego połączenia metal-metal, konieczne jest uwzględnienie w składzie ciekłego smaru znacznej ilości proszku metalu ciężkiego, co z kolei wiąże się z zagrożeniem dla środowiska. W przypadku zastosowania samego oleju smarującego można jedynie uzyskać cienką powłokę smaru, co oznacza ograniczoną smarowność. Co więcej, w celu przeciwdziałania przywieraniu substancji obcych, które powodują ograniczenie właściwości przeciwdziałania zacieraniu połączenia, konieczne jest możliwie znaczące ograniczenie tłustości powłoki. Z kolei problemów tego rodzaju nie powoduje zastosowanie stałej powłoki smarującej.

Twórcy niniejszego wynalazku stwierdzili, że przedstawione wyżej problemy towarzyszące zastosowaniu ciekłego smaru można wyeliminować z zastosowaniem ciekłego smaru oraz stałego smaru łącznie. W szczególności na powierzchni smarowanego połączenia gwintowego formowana jest powłoka smarująca (1), obejmująca dolną warstwę ciekłego smaru oraz górną warstwę stałego smaru, lub powłoka smarująca (2) półstała lub stała, wytwarzana z mieszaniny obejmującej olej smarujący jako smar ciekły oraz wosk jako smar stały.

Połączenie gwintowe rur stalowych według wynalazku, w skład którego wchodzi sworzeń i tuleja, przy czym oba te elementy obejmują powierzchnię stykową, w której wyróżnić można część gwintową i część niegwintową, zaś na powierzchni stykowej przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów znajduje się powłoka smarująca, charakteryzuje się tym, że powłoka smarująca zawiera dolną warstwę smarującą, która występuje w postaci ciekłej w zakresie temperatur powyżej 0°C a poniżej 40°C, oraz górną warstwę smarującą, która występuje w postaci stałej w temperaturze 40°C.

Korzystnie, powierzchnia stykowa przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów - sworznia lub tulei - została poddana wstępnej obróbce powierzchniowej.

Również korzystnie, powłoka smarująca znajduje się na powierzchni stykowej jednego z elementów, sworznia lub tulei, natomiast na powierzchni stykowej drugiego z elementów, sworznia lub tulei, znajduje się powłoka wykonana podczas wstępnej obróbki powierzchniowej wybranej spośród platerowania i obróbki chemicznej z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu.

Wstępną obróbkę powierzchniową korzystnie stanowi obróbka chemiczna z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu, przy czym w skład powłoki smarującej wchodzi sól metalu i kwasu tłuszczowego jako dodatek stały.

Sól metalu i kwasu tłuszczowego korzystnie stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród soli metali alkalicznych oraz soli metali ziem alkalicznych kwasu stearynowego lub oleinowego.

Warstwa smaru w postaci ciekłej lub olej smarujący może korzystnie stanowić co najmniej jedna substancja wybrana z grupy obejmującej oleje mineralne, syntetyczne oleje estrowe, oleje zwierzęce lub roślinne oraz zasadowe sole metalu i kwasu organicznego.

Połączenie gwintowe rur stalowych według odmiany wynalazku, w skład którego wchodzi sworzeń i tuleja, przy czym oba elementy obejmują powierzchnię stykową, w której wyróżnić można część gwintową i część niegwintową, przy czym połączenie obejmuje powłokę smarującą na powierzchni stykowej przynajmniej jednego z elementów, sworznia lub tulei, charakteryzuje się tym, że powłoka smarująca znajduje się w postaci półstałej lub stałej w temperaturze 40°C, przy czym jest ona formowana z mieszaniny, w skład której wchodzi olej smarujący, który występuje w postaci ciekłej w zakresie temperatur powyżej 0°C a poniżej 40°C, oraz wosk, który występuje w postaci stałej w temperaturze 40°C.

Korzystnie, w skład mieszaniny wchodzi ponadto dodatek w postaci stałej.

PL 203 768 B1

Dodatek w postaci stałej korzystnie stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród sproszkowanej żywicy oraz soli metalu i kwasu tłuszczowego.

Korzystnie, mieszanina jest podgrzana przynajmniej do temperatury, w której wosk przeprowadzany jest w ciecz, w celu wzajemnego rozpuszczenia wosku i oleju smarującego.

Powierzchnia stykowa przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów - sworznia lub tulei może być poddana wstępnej obróbce powierzchniowej.

Powłoka smarująca korzystnie znajduje się na powierzchni stykowej jednego z elementów, sworznia lub tulei, natomiast na powierzchni stykowej drugiego z elementów, sworznia lub tulei, znajduje się powłoka wykonana podczas wstępnej obróbki powierzchniowej wybranej spośród platerowania i obróbki chemicznej z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu.

Wstępną obróbkę powierzchniową może stanowić obróbka chemiczna z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu, przy czym w skład powłoki smarującej wchodzi sól metalu i kwasu tłuszczowego jako dodatek stały.

Sól metalu i kwasu tłuszczowego korzystnie stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród soli metali alkalicznych oraz soli metali ziem alkalicznych kwasu stearynowego lub oleinowego.

Warstwa smaru w postaci ciekłej lub olej smarujący może stanowić co najmniej jedna substancja wybrana z grupy obejmującej oleje mineralne, syntetyczne oleje estrowe, oleje zwierzęce lub roślinne oraz zasadowe sole metalu i kwasu organicznego

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Połączenie gwintowe rur stalowych, w skład którego wchodzi sworzeń i tuleja, przy czym oba te elementy obejmują powierzchnię stykową, w której wyróżnić można część gwintową i część niegwintową, zaś na powierzchni stykowej przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów znajduje się powłoka smarująca, znamienne tym, że powłoka smarująca zawiera dolną warstwę smarującą, która występuje w postaci ciekłej w zakresie temperatur powyżej 0°C a poniżej 40°C, oraz górną warstwę smarującą, która występuje w postaci stałej w temperaturze 40°C.
2. 2. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia stykowa przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów - sworznia lub tulei - została poddana wstępnej obróbce powierzchniowej.
3. 3. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 2, znamienne tym, że powłoka smarująca znajduje się na powierzchni stykowej jednego z elementów, sworznia lub tulei, natomiast na powierzchni stykowej drugiego z elementów, sworznia lub tulei, znajduje się powłoka wykonana podczas wstępnej obróbki powierzchniowej wybranej spośród platerowania i obróbki chemicznej z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu.
4. 4. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 2, znamienne tym, że wstępną obróbkę powierzchniową stanowi obróbka chemiczna z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu, przy czym w skład powłoki smarującej wchodzi sól metalu i kwasu tłuszczowego jako dodatek stały.
5. 5. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 4, znamienne tym, że sól metalu i kwasu tłuszczowego stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród soli metali alkalicznych oraz soli metali ziem alkalicznych kwasu stearynowego lub oleinowego.
6. 6. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa smaru w postaci ciekłej lub olej smarujący stanowi co najmniej jedna substancja wybrana z grupy obejmującej oleje mineralne, syntetyczne oleje estrowe, oleje zwierzęce lub roślinne oraz zasadowe sole metalu i kwasu organicznego.
7. 7. Połączenie gwintowe rur stalowych, w skład którego wchodzi sworzeń i tuleja, przy czym oba elementy obejmują powierzchnię stykową, w której wyróżnić można część gwintową i część niegwintową, przy czym połączenie obejmuje powłokę smarującą na powierzchni stykowej przynajmniej jednego z elementów, sworznia lub tulei, znamienne tym, że powłoka smarująca znajduje się w postaci półstałej lub stałej w temperaturze 40°C, przy czym jest ona formowana z mieszaniny, w skład której wchodzi olej smarujący, który występuje w postaci ciekłej w zakresie temperatur powyżej 0°C a poniżej 40°C, oraz wosk, który występuje w postaci stałej w temperaturze 40°C.
8. 8. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 7, znamienne tym, że w skład mieszaniny wchodzi ponadto dodatek w postaci stałej.
9. 9. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 8, znamienne tym, że dodatek w postaci stałej stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród sproszkowanej żywicy oraz soli metalu i kwasu tł uszczowego.

   PL 203 768 B1
10. 10. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 7 albo 8 albo 9, znamienne tym, że mieszanina jest podgrzana przynajmniej do temperatury, w której wosk przeprowadzany jest w ciecz, w celu wzajemnego rozpuszczenia wosku i oleju smarującego.
11. 11. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 7, znamienne tym, że powierzchnia stykowa przynajmniej jednego ze wspomnianych elementów - sworznia lub tulei - została poddana wstępnej obróbce powierzchniowej.
12. 12. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 11, znamienne tym, że powłoka smarująca znajduje się na powierzchni stykowej jednego z elementów, sworznia lub tulei, natomiast na powierzchni stykowej drugiego z elementów, sworznia lub tulei, znajduje się powłoka wykonana podczas wstępnej obróbki powierzchniowej wybranej spośród platerowania i obróbki chemicznej z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu.
13. 13. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 11, znamienne tym, że wstępną obróbkę powierzchniową stanowi obróbka chemiczna z zastosowaniem fosforanu lub szczawianu, przy czym w skład powłoki smarującej wchodzi sól metalu i kwasu tłuszczowego jako dodatek stały.
14. 14. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 13, znamienne tym, że sól metalu i kwasu tłuszczowego stanowi co najmniej jedna substancja wybrana spośród soli metali alkalicznych oraz soli metali ziem alkalicznych kwasu stearynowego lub oleinowego.
15. 15. Połączenie gwintowe rur stalowych według zastrz. 7, znamienne tym, że warstwa smaru w postaci ciekł ej lub olej smarują cy stanowi co najmniej jedna substancja wybrana z grupy obejmują cej oleje mineralne, syntetyczne oleje estrowe, oleje zwierzęce lub roślinne oraz zasadowe sole medalu i kwasu organicznego.