автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Повышение герметичности резьбовых соединений насосно-компрессорных труб полимерным покрытием

МОСКОВСКИЕ! ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи КОЗЛОВ Влгщимир Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НАС0С110-1ШПРЕСС0РНЫХ ТРУБ ПОЛИМЕРНШ ПОКРЫТИЕМ

Ой.04.07 - "Машин и агрегаты нефтяной и газовой промышленности"

]

I

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1000

// С-'

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Револввдш ; и ордена Трудового Красного Знамени институте нефти и газа имени И.М. Губкина.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Протасов В.Н.

Официальные оппоненты: I. Доктор технических наук, профессор

Синюков A.M.

2. Кандидат технических наук Якубовский Н.В.

Ведущая организация: ПО "Татнефть".

Защита диссертации состоится " /ef" ^еса^ззг, 1990 года в /5"часов на заседании специализированного Совета Д 053.27.03 в Московском институте нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: II79I7, ГСП-1, г.Ыосква, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИИНГ имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан "

1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

Л йХилиЬ^-

Л.Н.Обищенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач, стоящих перед нефтегазовой промышленностью, является дальнейшее увеличение до-бнчи нефти, что неразрывно связано с повышением эффективности работы скважинного оборудования и, в частности, колонны насосно-компрессорных труб (НКТ).

Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации колонн НКТ в различных нефтедобывающих районах страны показывает, что наименее надежным их элементом является резьбовое соединение.

Недостаточная во многих случаях герметичность этого соединения приводит к значительному снижению дебита скважины, вследствие перетока транспортируемой по НКТ пластовой жидкости в за-трубное пространство.

Одним из перспективных направлений повышения герметичности соединения НКТ является нанесение на одну из соприкасающихся резьбовых поверхностей полимерного покрытия.

Известны примеры применения полиэтиленового покрытия для герметизации резьбового соединения НКТ. Однако разрушение указанного покрытия после однократного свинчивания является существенным недостатком, ограничивающим его широкое промышленное применение. Поэтому разработка более эффективных конструкций полимерных покрытий для резьбового соединения НКТ является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка конструкций полимерных покрытий, обеспечивающих требуемую герметичность резьбового соединения НКТ и обладающих необходимым сопротивлением разрушению при эксплуатации труб.

Задачи исследований.

1. Изучить влияние физико-механических свойств материя полимерного слоя, его толщины и адгезии к металлу на прочно покрытия при контактном нагружении.

2. Исследовать влияние физико-механических свойств мат ла полимерного,слоя на сопротивление покрытия разрушению пр; свинчивании и развинчивании резьбового соединения.

3. Изучить влияние деформационных характеристик покрыт: на герметичность резьбового соединения НКТ.

4. Исследовать влияние масштабного фактора, вязко-упру: свойств полимерного материала и его адгезии к металлу на дес мацию покрытия резьбы.

5. Выявить влияние условий формирования полимерного по] тия на геометрическую точность резьбы.

6. Изучить работоспособность резьбового соединения НКТ герметизирующим полимерным покрытием в промысловых условиях,

7. Оценить технико-экономическую эффективность использ< ния резьбового соединения НКТ с полимерным покрытием.

Методы исследований. Для решения поставленных задач прз няли современные методы теоретического анализа и эксперимент ных исследований. При аналитических исследованиях деформацш крытия и герметичности стыка , образованного соприкасавдимш шероховатыми поверхностями покрытия и металла, использовали новные положения теории вязко-упругости, теории трения, киш ческой теории прочности твердых тел.

При экспериментальных исследованиях применяли методы те вероятности и математической статистики.

Научная новизна. Разработан аналитический метод расчетг

минимальной толщины покрытия из материалов с различными механическими свойствами, при которой обеспечивается герметичность резьбового соединения.

Установлено влияние толщины и параметров дсформирования полимерного слоя на сопротивление покрытия разрушению при контактном нагружешш. Показано, что с ростом толщины полимерного слоя до определенного значения и уменьшением модуля упругости прочность покрытия снижается.

Разработана математическая модель процесса пневматического нанесения полимерного покрытия из порошковых материалов на нагретую поверхность резьбы, устанавливающая зависимость неравномерности по толщине покрытия от технологических режимов напыления и реологических свойств материала.

Практическая ценность. Предложены критерии оценки работоспособности резьбового соединения с герметизирующим полимерным покрытием и методы определения их численных значении.

Установлены минимально допустимые значения адгезионно» и когезионнои прочности полимерного слоя при сдвиге, обеспечивающие свинчивание и развинчивание соединения без разрушения покрытия. ^

11л основании выполненных аналитических и"экспериментальных исследовании предложены двухслойные конструкции герлетизирующих покрытии из порошковых материалов: эпоксида П-ЭП-534 и полиамида ПЛ-Е2АП-1 с подслоем эпоксп-тенольного лака ЭП-547 для резьбовой поверхности муЦты ИКТ.

Разработана новая конструктивная' схема установки для напыления порошковых материалов па резьбовую поверхность и рекомендованы оптимальные технологические режимы, обеспечивающие нал-

5ольшую производительность этого процесса при заданном качестве юкрытия.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на семинаре "Роль эффективного использования пластмасс в ускорении научно-технического прогресса" (г.Пенза, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные методы и средства защиты металлов и изделий от коррозии" (г.Москва, 1988 г.), 2-й межобластной научно-практической конференции "Теория и практика защиты от коррозии металлических и железобетонных конструкций и оборудования" (г.Астрахань, 1988 г.). ^

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 70 наименований, приложения.

Работа содержит 171 страницу машинописного текста, 42 рисунка, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе приводится анализ отечественных и зарубежных работ в области повышения качества резьбового соединения НКТ. Показано, что наиболее перспективным направлением повышения герметичности резьбового соединения НКТ является нанесение полимерного покрытия на одну из соприкасающихся резьбовых поверхностей.

Значительный вклад в решение проблемы повышения качества резьбовых соединений труб нефтяного сортамента внесли Билык С.Ф., Крыжановский Е.И., Саркисов Г.М., Сароян А.Е., Щербюк Н.Д., Якубовский П.В. и др.

Ь настоящее время получили развитие три основных направления погашения герметичности резьбового соединения НКТ: применение в конструкции резьбового соединения специальных уплотняющих элементов, использование более совершенных смазок, нанесение на резьбовую поверхность различных покрытий и пленок.

Конструкции резьбовых соединений с элементами герлетичности достаточно эффективны для резьб с трапедиедалышм профилем, а также в случае соединения труб с высаженными концами. Сложность и повышенная стоимость таких конструкций, а также существенные трудности применения в соединениях труб с конической треугольной резьбой симметричного профиля не позволяют широко использовать их в промышленности.

Применение более совершенных смазок для герметизации резьбового соединения в ряде случаев достаточно эффективно, однако необходимость нанесения смазок непосредственно при каждом монтаже колонны труб на скважине значительно повышает трудоемкость спуско-подъешгах работ, часто приводит к получению значительного количества негерметичных соединений колонны.

Полимерные пленки являются герлетизаторами одноразового применения и их использование увеличивает трудоемкость процесса монтажа колонны НКТ на скважине.

Перспективным направлением повышения герметичности соединения НКТ является нанесение на одну из соприкасающихся резьбовых поверхностей полимерного покрытия.

Имеются примеры использования полиэтиленового покрытия для герметизации соединения НКТ. Однако, промышленного применения это покрытие не получило вследствие разрушения при первом развинчивании соединения. Поэтому поиск более совершенных конструкций герметизирующих полимерных покрытий НКТ, способных многократ-

г

но выдерживать процесс свинчивание-развинчивание соединения является актуальной задачей.

В работе сформулированы основные требования к покрытию резьбового соединения НКТ:

1) покрытие должно обеспечивать герметичность соединения при заданной величине условного натяга по ГОСТ 633-80 и нагруже-нии его избыточным давлением при опрессовке. Герметичность не должна нарушаться в течении планируемого ресурса работы при температуре 293... 353 К;

2) покрытие резьбовой поверхности должно сопротивляться разрушению при свинчивании, развинчивании соединения и длительном контактном нагружении в процессе эксплуатации колонны НКТ;

3) покрытие должно защищать металл от коррозионного разрушения и сульфидного растрескивания в продукции скважины в течении планируемого ресурса работы.

На основании сформулированных требований и анализа литературных данных были предварительно выбраны для проведения исследований следующие варианты конструкций покрытия: I) двухслойное с подслоем из эпокси-фенольного лака ЭП-547 (ТУБ—I0-1395-83), и покрывным слоем из порошковой краски П-ЭП-534 (ТУ 6-10-1890-83); 2) двухслойное с подслоем из эпокси-фенольного лака ЭП-547 и покрывным слоем из порошкового полиамида ПА-12АП-1 (ТУ 6-05-211-784-77); 3) однослойное из порошкового пентапласта А-2 (ТУ 6-05-1422-74); 4) однослойное из порошкового полиэтилена ПЭВД (ТУ 6-10-102-76). Режимы формирования слоев из выбранных материалов представлены в табл. I.

\ '

Таблица I

Вариант | Температура на- ; Время выдержки ; Условие

шнструк- | грева при струк- | в сушильном , охлаждения

щи j турировании Т, К ; шкафу х, , мин. ;

1 473 20 на воздухе

2 473 1 5 на воздухе

3 503 15 в воде

4 503 15 в воде

Во второй главе обосновывается выбор методов исследования зочности полимерного покрытия в резьбовом соединении при кон-эктном нагружении, его сопротивления разрушению при свинчива-т и развинчивании соединения, деформации при кратковременном длительном нагружении.

Величина разрушающего напряжения при контактном нагружении экрытия должна зависеть не только от механических свойств по-эытия, но и, вероятно, от его толщины и наличия сил адгезии зжду полимерным слоем и металлом, так как указанные факторы 1ределяют величину развивающейся деформации при нагружении и, ак следствие этого, прочность покрытия.

Для выявления влияния толщины полимерного слоя и адгезии 1 контактную прочность покрытия механическим испытаниям под-зргали как покрытие толщиной от 0,1 до 1,0 мм, так и свободную хенку той же толщины, изготовленные из одних и тех же материа->в.

Покрытие наносили на торцовую поверхность диска из стали 45 )СТ 1050-74. Толщину сформированного покрытия измеряли магнитил толщиномером ИТП-3.

Свободные полимерные пленки формировали на отожженной стальной фольге, а затем отслаивали их от фольги.

Контактное нагружение покрытий и пленок производили на гидравлическом прессе по схеме плоскость-сфера. В качестве инденто-ра использовался шар ¿7,97 мл из стали ШХ-15. Момент разрушения полимерного слоя фиксировали по изменению оымического сопротивления между образцом и индентором, находящихся в 3^-ном водном растворе Na.CC .

При изучении влияния повышенной температуры на контактную прочность покрытия применяли приспособление в виде теплообменника.

Изучение сопротивления полимерного покрытия резьбы разрушению при свинчивании-развинчивании соединения проводили по схеме нагружения плоскость-плоскость. Образец с покрытием и контртело представляли собой диски в форме кольца из стали 45. Толщина покрытия образца составляла 120-150 мкм. Величина контактного давления была выбрана равной наибольшей в резьбовом соединении НКТ и составляла 245 МПа. Измеренное значение силы трения при страги-вании образца из состояния покоя пересчитывали на приведенное значение силы трения в резьбовом соединении.

Начальную деформацию полимерного покрытия и свободной пленки из тех же материалов изучали на образцах, имеющих форму колец, по схеме нагружения плоскость-плоскость. Нагружение производили гидравлическим прессом до контактного давления 400 МПа со скоростью 0,5 1ш/шн. Величину деформации полимерного слоя измеряли стрелочным индикатором с точностью до 0,001 мм. Толщину покрытия и пленки изменяли от 0,1 до 1,0 мм.

Исследование ползучести полимерных материалов при постоянном растягивающем напряжении ( бр = idem ) проводили на пленках из исследуемых материалов по известной схеме нагружения. Деформа-

щго ползучести измеряли индукционным датчиком и фиксировали на самописце с точностью 0,5 мкм.

При расчете поперечного сечения образца учитывали наличие внутренних газовых включений, определяемых методом гидростатического взвешивания.

В третьей главе рассматриваются результаты аналитических и экспериментальных исследований работоспособности резьбового соединения НКТ с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей.

Одним из основных показателей работоспособности резьбового соединения НКТ с покрытием лется прочность полимерного слоя при контактном нагружении.

Установлено, что прочность покрытия и свободных полимерных пленок при указанном виде нагружения в значительной мере зависит от толщины полимерного слоя (табл. 2).

Таблица 2

^Толщина поли-; Кон^\мерного | такгааЗКчРлоя, 1 прочность>^мкм ; МПа ! 100 200 300 400 600 ! ! юоо

Эпоксид покрытие П"311-534 пленка 1800 4СГ 1100 .390 900 370 800 350 650 350 600 350

Полиамид покрытие ПА-12АП-1ШГРТПга 4. 390 370 350 340 330

20и 200 195 195 190 180

Пента- покрытие 1250 950 800 650 590 590

пленка 125 125 125 125 125 125

Полиэти- покрытие лен ПЭВД пленка 175 160 150 140 140 140

40 40 40 40 40 40

У покрытия из эпоксида П-ЭП-534 и пентапласта А-2 наблкц ется резкое уменьшение прочности с ростом толщины полимерного слоя от 100 мкм до 300 мкм. При дальнейшем увеличении толщинь до 1000 мкм прочность в меньшей степени зависит от толщины пс крытия, что, очевидно, связано с ослаблением влияния сил адге на деформацию покрытия при этих толщинах.

У покрытия из полиамида ПА-12АП-1 и полиэтилена (ПЭВД) в чественный характер зависимости разрушающего напряжения от тс щины полимерного слоя аналогичен полученному для покрытий из П-ЭП-534 и А-2. Однако прочность этих покрытий при контактном нагружении в меньшей степени зависит от их толщины. Это обусл лено более низким модулем упругости при растяжении этих матер лов по сравнению с эпоксидом и пентадластом.

У свободных полимерных пленок разрушающее напряжение зна тельно ниже по сравнению с покрытиями из тех же материалов и практически не зависит от толщины, что объясняется отсутствие влияния адгезии на дефорлацию полимерного слоя.

В работе показано, что покрытия из эпоксида П-ЭП-534, по амида ПА-12АП-1 и пентапласта А-2 способны выдерживать максим ные контактные давления, возникающие в резьбовом,соединении п толщине покрытия до I мм, т.е. вплоть дг рхней границы диал зона реальных толщин и при температуре .'уатации до 353 К. Полиэтиленовое покрытие из ПЭВД даже при линах 100 мкм и ы нее разрушается при нагружении его контаг.. .: давлением, соот ветствующим контактному давлению в свинченном резьбовом соедл нии НКТ, что объясняется его низким модулем упругости при рас тяжении.

В процессе свинчивания и развинчивания соединения НКТ мо жет происходить срез или отслаивания покрытия под действием с

трения. Поэтому было исследовано влияние физико-механических свойств покрытия на его сопротивление разрушению под действием силы трения в стыке покрытия с металлом.

Таблица 3

-1-1-

Контур- ¡Прочность¡Состоя-ное дав-¡материала¡ние по-ление ¡покрытия ¡крытия при испы ■, при растя ¡после тании на;жении <йР ¡испыта-страгива; МПа ¡ния ние р ,; ;

Ш1а | |

I I

! !

№ пп

Материал покрытия

Удельная сила трения по схеме нагру-жения плоскость-плоскость Р и в резьбе ГР , МПа

? ! Рр

Равновесная адгезионная прочность покрытия на сдвиг Тар , МПа

I П-ЭП-534 12 24 31 245 68,2 без изменения

2 ПА-12АП-1 11,3 22,6 28,5 245 55,1 то же

3 Пента- 20,3 40,6 10 245 34,7 разру-

пласт А-2 шалось

В табл.3 приведены измеренные значения удельной силы трения Г при страгивании образца по схеме нагружения плоскость-плоскость, расчетные максимальные значения удельной силы трения в резьбовом соединении при развинчивании Рр , значения равновесной адгезионной и когезионной прочности покрытия соответственно на сдвиг и на растяжение (3 при установившейся сорбции среды материалом покрытия.

В работе показано, что по прочностным характеристикам наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к покрытию резьбового соединения 11КТ, покрытия из эпоксида П-ЭП-534 и полиамида ПА-12АП-1.

Герметичность является одним из основных показателей работоспособности резьбового соединения НКТ с покрытием.

Известно, что герметичность резьбового соединения ШCT^SÍ деляется., в основном, полнотой заполнения герметизаторой тех лотаческихЖ^конструктивных зазоров, которые шичителъно пре: ходят по величииечвсе другие и образуют спиральные каналы ме; резьбовыми поверхностям муфты и трубы^Йля того, чтобы евин ное резьбовое соединение ш$Т с прибытием было герметично, но ходимо выполнить следующие^уелс^вия:

I) объем полимещото мат ериала у^выте сняекого при свинчи: нии соединения в^efo зазоры, должен быть^не меньше объема эт: зазоров;

¿езду соприкасающишся витками резьбы после свинчива соединения с заданным натягом должен быть пластический насшц

ный контакт. __—-——--—-—■—------------------->

Так как герметичность соединения обусловлена дефорлацие полимерного слоя, была разработана математическая модель деф мирования покрытия при контактном нагружении.

В работе приведен расчет минимальной толщины покрытия с при которой обеспечивается герметичность резьбового соединен в соответствии с условием

в*.

v

fírá ~ (дгр-2а)2](е- '

- объем з^ора для одного витка, яаметр трубы,!

- контактно^ давление,

(I)

вы<

\мо.

^ Ia = '/Ц-pa0o4f

" ' ' "1Л профиля резьбы,/ \

рта прсюиля, i <¿ - ухюл профиля резьбы.

, X t \ Í ' '

г ль объемного сжатия материала покрытая с ?реннимиУгаровыми пораа-ди^/

—S—--деформация покрытия при контактном цаирухениат—• Основными параметрами уравнения ^ являются £ и к' » сленные значения которых определяют необходимые деформациоя-е характеристики покрытия. Поэтому одной из задач исследова-я являлось разработка математической модели деформирования по-ытия во времени при контактном нагрукении.

Известно, что, если тонкий плоский образец бесконечных раз-ров подвергается растяжению или сжатию в направлении его тол-ш, то происходит изменение как формы, так и объема этого обща. ____________—--------_______

''Начальная деформация £о при таком виде нагружения опи-заотся уравнением

Уравнение (3) справедливо для сплошной тонкой пластины бес-

ечных размеров. Однако получить покрытие, у которого отсутст-

али бы газовые включения, технически сложно и, кроме того,

а контакта всегда имеет конечные размеры, которые в резьбо-

соодинешш НКТ сопоставимы с толщиной покрытия...

---г-— и А МИ

!&-основании-вышеизложенного-в~работе-было получено выра-

1е для мгновенного продольно-объемного модуля пористого ма-

1ала

I

м -

ti (GTc ~PgTt)d к * TeQ>2

При длительном приложении контактной нагрузки к полимерному покрытию происходит изменение продольно-объемного модуля, а следовательно, и деформации покрытия вследствие ползучести.

На основании флуктуационной теории прочности твердых тел и теории вязкоупругости было получено уравнение ползучести полимерной пленки при постоянном растягивающем напряжении, в соответствии с которым предложена математическая модель процесса деформирования.

с, 1 I _2(1->'/Д)_Г

(5)

где: А = I - для покрытий; А= 0 - дою свободных пленок;

^ - объемная пористость; К - модуль объемного сжатия

полимерного материала; Т0 - температура структурирования

полимерного материала; Т - температура при нагружении;

Р0 - давление газа в порах полимерного слоя при Т0; С -

контактное давление; рл - коэффициент Пуассона; Е - модуль

полимерного материала при растяжении; X - время действия

12

нагрузки; % - период колебания атомов % =10 с; Ц, - энергия связей в полимере; £ - структурно-чувствительный коэффициент; Я - универсальная газовая постоянная; И , т , 6 , П - коэффициенты. ---_

'Предложенная математическая модель"'(5) справедлива в области линейной вязко-упругости, т.е. до величины контактного давления, соответствующего пределу пропорциональности покрытия.

В результате исследования процесса деформирования покрытия .и свободной полимерной пленки из различных материалов получена

//

мииспмость продела пропорциональности покрытия РПр от меха-пчпскпх характеристик полимерного материала, его толщины 5 и шринн кольца контакта .

РпР =<

Р,

т.металла*

Рпр.пл. + Е

при

1 ЖМП + 0,035; 3 4 18750

(6)

при Щ +/и) + 0 35 £ 0>45 _

18750 ~ б 1522

гло рт.металла ~ пРеД°л текучести металла; Рпр>пл - предел пропорциональности свободной пленки.

Для определения неизвестных численных значений параметров математической модели Л , т , 8 , п , были проведены

исследования зависимости деформации полимерных пленок при растяжении во времени от физико-механических характеристик материалов, из которых они изготовлены, и температуры эксплуатации.

работе показано, что параметр ]) зависит от температуры и может быть^цредставлен уравнением

(?)

где значение парат/,етра при температуре Т' = 293 К;

Р - коэффициент. _

М-х&^л-А приведены значения параметров, входящих в математическую модель дефорлирования покрытия.

f8

Таблица 4

Материал

Vc

кДж

кЛд

!_моль !моль МПа

Л<,

Л»

К

т

Ь

П-ЭП-534 129,6 0,87 4,95-I0~7 10746,4 1,96 0,018 0 ПА-12АП-1 140,4 1,16 2.7S7.I0"5 1132,5 2,3 0,115 0,

Наибольшая ошибка расчетной величины деформации от экспе] ментальной составляет 8%, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели.

На основании аналитического исследования герметичности ре бового соединения НКТ с полимерным покрытием и установленных х формационных характеристик полимерных покрытий и свободных пле нок была рассчитана минимальная толщина покрытия резьбы НКТ & 60 мм, при которой свинченное соединение будет герметично че рез 60 мин. после свинчивания при температуре 293 К. Расчеты п казали, что минимальная толщина покрытия из П-ЭП-534 составляв f^ip = 150 мкм, а из ПА-12АП-1 = 120 мкм.

"В работе показано, что для обеспечения герметичностд^совд нения неЭйх-вдщоикроме заполнения технология в ских и конструкта юх зазоров обеспечить~ГО1отаоол1ь^Ст^ гранями витков ре:

бк, что достигается~"при пластическом насыщшшоьищщтакто^опри-

касавдюсбяповерхностей покрытие-металл. ____—--——

Проведенные в работе расчеты показали, что у всех исследу мых покрытий в свинченном резьбовом соединении имеет мссто пла< тический насыщенный контакт.

п Вт^абятйгприведены механические и геометрические параметр! покрытий из рекомендуемых материалов, обеспечивающие выполнение технических требований, предъявляемых к покрытию резьбового со-

S9

сдштния I ИСТ i> 60 мм.

Таблица 5

________________I

Материал {Минимальная ¡Минимальная ¡Неравномер- ¡Максимальная i покрытия ¡толщина по-;допустимая ¡ность толщи-¡высота миктю- { ¡крытия, шаг,адгезия на ¡ны покрытия ¡неровностей, ?, ; ¡сдвиг №1, ¡на длине ; мкм s _;_ МНа 'резьбы, мкм •__j

II-0II-S34 150 24 15 2,5 j

11Л-12ЛП-1 120 22,6 15 2,5 ji

В четвертой главе диссертационной работы рассматриваются попроси технологического обеспечения качества резьбовых соединений НК'Г с покрытием, результаты опытно-промышленных испытаний и технико-экономическая эффективность применения этих соединений.

Анализ способов нанесения полимерных покрытий из порошковых материалов на детали сложной формы показал, что наиболее целесообразно наносить покрытие на резьбовую поверхность муфты пневматическим распылением. Одним из основных требований к покрытии, резьбы является равномерность его по толщине, отклонение не должно превышать 10% при толщине 120-150 мкм.

■"Использование существующих промышленных установок пневматического распыления приводит к получению покрытия с неравномерностью по толщине до 30^. Для устранения указанного недостатка возникла необходимость создания специальной-установки, обеспечивающей требование к точности толщины покрытия. С этой целью была разработана математическая модель процесса пневматического :;эл:з-ления слоя порошкового материала на резьбовую'поверхность.

Известно, что Форма статического отпечатка факела в поперечном оечпшш может быть описана кривой нормального распределения:

€ > (в)

■ При перемещений сопла вдоль оси цилиндрической поверхности X длиной Ь происходит суммирование статических отпечатков. Уравнение огибающей кривой имеет вид:

„ гг)__(Х-а)-(п-1)§о

—' (9)

где т - скорость осаждения порошкового материала; Т) - диаметр цилиндра; - угловая скорость вращения; у -удельный вес материала покрытия; <У - дисперсия; Л -.. подача на оборот сопла; О - координата первого статического отпечатка факела; П. - число статических отпечатков.

В диссертационной работе показано, что для получения равномерного покрытия на резьбовой поверхности муфты порошковый материал следует наносить одновременно двумя соплами, расположенными под углом 41° к нормали боковой грани витка резьбы. В этом случас формируемый рельеф на гранях резьбовой поверхности будет складываться из рельефов, образованных первым и вторим соплами, а глобальные экстремумы образуемого рельефа будут;, ■

Гу

г тот.

(соб(00^к -л) гС01(9О-*(г))

« Рпйп (СОЛ(00+ + СоЦ90-%)) , (Ю)

где Рпкп • Ртах - глобальные экстремумы функции (9).

ц Геометрические параметру.докр1т1я будут удовлетворять предъявляемым требованиям, если

Ргтох ~ А>пох ~ Лгтп ;

ток + Г? />ип „_ блИ^Л-^-ЛпМ. 2

где Л/псгс « Ат1п - заданная наибольшая и наименьшая толщина.

Решая уравнение (II) с учетом коэффициента растекаемости покрытия Ь получим режимы напыления, т.е. подачу на оборот «5'о и расстояние от поверхности резьбы до среза сопла I , при которых неравномерность покрытия будет не более заданной.

В диссертационной работе приведена программа для расчета на ЭВМ требуемых режимов напыления при заданной неравномерности покрытия и геометрических параметрах резьбы.

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований была разработана конструкция установки и рекомендованы наиболее устойчивые режимы напыления для резьбовой поверхности муфты НКТ ^ 60 мм порошкового материала П-ЭП-534 при заданной неравномерности по толщине покрытия менее 15 мкм: подача распылительной головки на оборот = 1,25+0,15 мм; расстояние от среза сопла до поверхности резьбы I = 30+5 мм; расход порошкового материала 0 = 17,5+0,8 гДздн.

Для проверки результатов аналитических и лабораторных ис-зледований работоспособности резьбового соединения НКТ с покрытием были проведены стендовые и промысловые испытания.

Для стендовых испытаний использовались НКТ 0 60 мм, на резьбовые концы которых было нанесено покрытие толщиной 150 мкм из 1-ЭП-534 с подслоем лака ЭП-547 при режимах, описанных выше.

Сплошность покрытия контролировали по оммическому сопротив-гешш в ванне с 3#-ныы водным раствором и визуально,

ввинчивание-развинчивание проводили механическим ключом, условий натяг в свинченных соединениях составлял 5 мм. Опрессовку ¡оединепия производили при давлении 20 ГЛПа.

Стендовые испытания показали, что эпоксидное покрытие из 1-ЭП-534 выдерживает 4-6 кратное свинчивание-развинчивание без

разрушения.

Промысловые испытания проводились на скважинах НГДУ "leí ногорскнефть" ПО Татнефть с обводненностью 87% и 99,9^2 и с сс держанием солей 200 г/литр и 150 г/л.

За период испытаний (19 месяцев) утечек добываемой жидкс ти через соединение с покрытием не отмечалось, свинчивания и развинчивания резьбовых соединения труб при подземных ремонт! проводились 3 раза, состояние покрытия удовлетворительное, о: слаиваний, задиров, а также заметного износа покрытия не обн; ружено.

На основании промысловых испытаний была рассчитана экон< ческая эффективность применения муфт НКТ с покрытием резьбы. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 25? тыс.ру( на 1000 скважин с глубиной подвески 1000 м.

Выводы

1. Показано, что одним из перспективных направлений пов: шения герметичности резьбового соединения НКТ является нанес ние на одну из свинчиваемых поверхностей полимерного покрыти. сочетающего в себе наряду с уплотняющей способностью противо розионное действие и высокое сопротивление разрушению в проц се свинчивания и развинчивания соединения.

2. Предложены критерии оценки работоспособности резьбов соединения с герметизирующим покрытием и методы определения численных значений.

3. Разработан аналитический метод расчета минимальной т щшш покрытия из материалов с различными механическими свойс ми, при которой обеспечивается герметичность резьбового соед ния.

4. Установлено влияние тол:щшы и параметров'деформирования полимпрного слои па сопротивление покрытия разрушению при кон-т.-истцом пагружении. Показано, что с ростом толщины до определенного значения и уменьшением модуля упругости прочность покрытия снижается.

Ь. Уст;икл<.'1ипи мииш.хшьио допустимые значения адгезионной и коп'зпонноп прочности полимерного слоя при сдвиге, обеспечи-вашии свинчивание и развинчивание соединения без разрушения покрытия.

С. Разработана математическая модель процесса пневматического нанесения полимерного покрытия из порошков!« материалов" на нагретую поверхность резьбы, устанавливающая зависимость неравномерности по толщине покрытия от технологических режимов напыления и реологических свойств материала.

7. На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследовании предложены двухслойные конструкции герметизирующих покрытии им порошковых материалов: эпоксида Н-ЭП-534 и полиамида НЛ-1;;А1И с подслоем эпокси-фенолыгого лака Л1-547 для резьбовой поверхности мутоты НК'Г; разработана новая конструктивная схема установки для напыления порошковых материалов на эту поверхность и рекомендованы оптимальные технологические режимы, ооеспсчиваюишо наибольшую производительность этого процесса при заданном качестве покрытия.

Я. 0питно-п[)ог.-,ы:11ленные испытания резьбовых соединений с герметизирующим покрытием подтвердили высокую эффективность их применения. Ожидаемый экономический эффект от применения резьбовых соединений с двухслойным покрытием из П-ЭН-Ь34 с подслоем лака 0П-Ы7 на I ООО скважин с длиной колонны 1000 м составляет ;■;>'/ тиг.руо.

Основное содержать диссертант'« опубликовано в следующих работах: |

1. Протасов и.II., Козлом !•. Ь. Деф ормирование полимерных

)

покрытий при контактном нагру.-мииш. Лакокрасочные материалы и . их применении. 1^87, ;

2. Протасов Li.II., Козлол Ь.К. Поьишенио герметичности резь- ■. бошх соединении нпсосно-иомщн^сорних труб полимерными покри- | тиями. - М.: ВШШОЛП'. Оксприео-шм ормацил. Сер. "Борьба с кор- | розиой и защита окружающей среди", №1. ]

Протасов В.Н., Козлов Ь.Б. Повышение качества резьбовых | соединений насосно-компресоорпих труб. В кн.: Теория и практика : защиты от коррозии металлических и железобетонных конструкций • и оборудования. Тезисы докладен к 2-й межобластной научно-прак- : тической конференции. Астрахань, 1988, с.220.

4. Протасов В.П., Козлов П.Б. Противокоррозионная защита полимерными покрытиями розьбопих соединений колонн труб в нефтяных скважинах. В кн.: Прогрессивные методы и средства защиты металлов и изделий от коррозии. Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции. !.!., Гл.;И, с.207.