способ герметизации резьбовых соединений труб

Формула изобретения

1. Способ герметизации резьбовых соединений труб, включающий заполнение межрезьбового пространства герметизирующим материалом, отличающийся тем, что в качестве герметизирующего материала используют композицию графита и сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП), а наносят герметизирующий материал на резьбовую поверхность методом порошкового напыления в электростатическом поле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизирующий материал имеет следующий состав, мас.ч.:

Сополимер ТФЭ с ГФП 90 - 95

Графит 5 - 10

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина напыляемого слоя составляет от 20 до 150 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству труб и может быть использовано для герметизации резьбовых соединений любых труб, в том числе используемых при строительстве нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, а также при формировании трубных колонн и трубопроводов.

Конструктивные и технологические зазоры в резьбовых соединениях обсадных труб под воздействием избыточного внутреннего или наружного давления приводят к нарушению герметичности соединений и проницаемости их для среды. Для снижения проницаемости применяют различные заполнители конструктивных и технологических зазоров. Заполнители одновременно выполняют функцию смазок, предупреждающих заедание трущихся поверхностей при свинчивании резьбовых соединений.

Наиболее распространены заполнители в виде различных смазок на жировой или полимеризующейся основе.

Смазки на жировой основе представляют собой смесь металлического и графитового порошков, равномерно распределенных в жировой основе, составляющей 30-40 вес.% (см. изобретения по патентам РФ № 2136722 от 24.08.98, кл. С 10 М 129/02; № 2032712 от 27.03.90, кл. С 10 М 169/04; № 2032714 от 27.03.90, кл. С 10 М 173/00 и заявку на изобретение № 95109583 от 07.06.95, кл. F 16 J 15/00).

Однако исследования в лабораторных и реальных условиях показали, что использование смазок на жировой основе не гарантирует требуемую герметичность соединений. Объясняется это следующим. Смазки должны иметь низкую вязкость в момент свинчивания резьбовых соединений и высокую вязкость при нагружении соединения избыточным давлением. При недостаточной вязкости смазка вымывается рабочей средой при повышенных температурах и давлении, что приводит к разгерметизации соединения. Противоречивость подобных требований к свойствам смазки затрудняет разработку качественных герметизирующих смазок на жировой основе.

Смазки на полимеризующихся основах в большей степени удовлетворяют требованиям герметизации (см. заявку на изобретение № 93041784 от 20.08.93, кл. С 09 К 3/10). Подобные герметики, как правило, состоят из эпоксидного компаунда, отвердителя и наполнителя. В качестве твердых компонентов используются графитовый порошок, свинцовый порошок, цинковая пыль и медная пудра. В качестве наполнителя известен металлон, в указанном выше герметике в качестве наполнителя использован мелкодисперсный фторопластовый материал (политетрафторэтилен).

Резьбовые соединения с такой смазкой практически неразъемны, что создает технологические сложности при развинчивании подобных соединений в процессе профилактики (необходим нагрев до 300С). Введение в состав герметика политетрафторэтилена снижает трение при свинчивании резьбовых соединений.

К общим недостаткам смазок на полимеризующихся основах относится необходимость подготовки поверхности резьбы (очистка и обезжиривание), токсичность, невозможность автоматизации и пр., что затрудняет работу в полевых условиях.

Известен также способ герметизации резьбовых соединений путем металлизации - покрытия поверхности изделия металлами и сплавами для получения физико-химических и механических свойств, отличных от исходного (металлизируемого) материала. В качестве покрытия применяют алюминий, медь, свинец, цинк, хром, серебро, золото, бронзу, латунь и пр. (см. например, патенты на изобретение № 2049150 от 05.03.94, кл. С 23 С 10/60 и № 2162928 от 25.12.98, кл. Е 21 В 17/08, F 16 L 15/00). В современной практике широко применяется гальванический метод нанесения металла на резьбу обсадных труб.

Способ металлизации очень дорогой и не исключает применения уплотнительных смазок на жировой или полимеризующейся основе.

Следующий известный способ герметизации резьбовых соединений - применение фторопластовых уплотнительных материалов в виде ленты, которой обматывают резьбу труб перед навинчиванием на нее муфты (см. заявки на изобретения РФ № 93010518 от 01.03.93, кл. Е 21 В 17/08 и № 93041784 от 20.08.93, кл. С 09 К 3/10). В первом случае лента выполнена из конденсаторной пленки на основе политетрафторэтилена. Процедура уплотнения заключается в обинтовывании охватываемого элемента по резьбовой поверхности с обтяжкой витков по профилю резьбы.

Наиболее близким решением к предлагаемому можно считать способ герметизации, приведенный в патенте № 2156911 от 21.12.98, кл. F 16 L 13/007. Согласно этому способу герметизацию производят путем нанесения газодинамическим напылением на конечные граничные зоны резьбовых участков композиционного покрытия в виде порошков металлов или их смесей с керамическими материалами, ускоренных с помощью сверхзвукового потока газа. Перед напылением производят подготовку соответствующих поверхностей путем газодинамической бомбардировки порошком более высокой твердости, чем твердость обрабатываемой поверхности.

Данный способ не обеспечивает должной степени герметизации, т.к. порошки металлов или их смеси с керамическими материалами не обладают пластичностью, текучестью под давлением и имеют высокий коэффициент трения.

Задача предлагаемого решения - повышение качества герметизации резьбовых соединений, а также упрощение технологического процесса герметизации.

Для решения поставленной задачи в способе герметизации резьбовых соединений труб, включающем заполнение межрезьбового пространства герметизирующим материалом, в качестве герметизирующего материала используют композицию графита и сополимера тетрафторэтилена (ТФЭ) с гексафторпропиленом (ГФП), а наносят герметизирующий материал на резьбовую поверхность методом порошкового напыления в электростатическом поле.

Герметизирующий материал имеет следующий состав, мас.ч.:

Сополимер ТФЭ с ГФП 85 - 95

Графит 5 - 15

Толщина напыляемого слоя составляет от 20 до 150 мкм.

Использование предлагаемой композиции обеспечивает полную и долговечную герметизацию резьбовых соединений в диапазоне температур от -100 до +250С.

Сополимер тетрафторэтилена (ТФЭ) с графитовым порошком (ГфП) в чистом виде (100%) обладает высокой теплостойкостью и физико-механическими свойствами (прочность, относительное удлинение), однако при низких и повышенных температурах сополимер при монтаже прорезается и стягивается с острых кромок, оголяя металл, не обладает хладотекучестыо (пластичностью), имеет повышенный коэффициент трения (К_тр) и вследствие этого не гарантирует надежное уплотнение.

Добавка мягкого пластичного наполнителя-графита в количестве 5-15% приводит к появлению пластичности сополимера, т.е. способности “течь” под действием напряжений, возникающих в резьбовых соединениях при монтаже, снижает К_тр, что способствует эффективному заполнению межрезьбового пространства и обеспечению герметичности соединения труб.

При увеличении содержания наполнителя (более 15%) наблюдается существенное снижение физико-механических свойств композиции (прочность, относительное удлинение), вследствие чего материал начинает крошиться и в процессе монтажа удаляться из межрезьбового пространства. При этом повторный монтаж соединения не обеспечивает достаточную герметичность соединения.

Использование метода порошкового напыления электростатическим способом позволяет обрабатывать резьбовые соединения в производственных условиях и поставлять трубы в поле уже подготовленными.

Предлагаемая композиция может быть получена следующим образом.

В просеянный на сито 025 (размер ячеек 250250мкм) порошок сополимера ТФЭ-ГФП вводят наполнитель (графит или др.) и тщательно перемешивают на смесителе типа Хеншель с числом оборотов 2000-3000 об/мин.

Сополимер ТФЭ-ГФП и наполнители (графит, нитрид бора, -модификации, тальк) выпускаются в промышленном масштабе.

Приготовленную композицию загружают в бункер установки напыления в электростатическом поле типа УЭНП или любого другого типа, в которой обеспечивается зарядка порошка композиции и его транспортировка в электростатическом поле высокого напряжения (U_раб=15-100 кВ, I_раб=50-100 мкА). Заряженные частицы композиции осаждаются на заземленной детали (внутренней поверхности резьбового соединения) плотным слоем, после чего деталь помещается в электропечь, где при 300-350С происходит оплавление порошковой композиции с образованием блестящего покрытия (черного или белого цвета в зависимости от применяемого наполнителя), прочно соединенного с металлом, что обеспечивает надежность металла и герметизации.

Поверхность деталей перед напылением обезжиривается в растворе кальцинированной соды или других растворах щелочного обезжиривания типа КМ-1, КМ-2.

Метод электростатического напыления порошков по сравнению с газодинамическим имеет следующие преимущества: низкая энергоемкость (100-500 Вт) по сравнению с десятками КВт для газодинамического способа; бесшумность метода (газодинамический метод основан на использовании высоких звуковых и сверхзвуковых скоростей газов); газодинамический способ практически непригоден для напыления полимеров, т.к. порошки полимеров имеют малую массу, и придать им достаточно высокие энергии невозможно. Такой метод более пригоден для напыления металлических, керамических порошков, что использовано в способе-прототипе.

В таком виде трубы доставляются к месту монтажа. Таким образом, в полевых условиях не нужно производить никаких дополнительных операций по герметизации, так как они уже были сделаны в производственных условиях на автоматизированном оборудовании.

При свинчивании резьбовых соединений труб герметизирующее покрытие сохраняется и может быть использовано многократно.

Таким образом достигается надежное герметичное соединение. Трубы можно собирать в полевых условиях, при любых температурных режимах. Предлагаемый способ существенно повышает качество герметизации и упрощает операции по его осуществлению.

Способ может быть использован для резьбовых соединений труб, а также соединений труб через муфты.