Исследование параметров конических резьб, влияющих на качество соединения труб нефтяного сортамента

Введение. Ужесточение условий эксплуатации труб связано с усложнением профилей и увеличением глубин скважин на новых месторождениях нефти и газа. Трубы нефтяного и газового сортамента оказываются под действием значительных знакопеременных нагрузок при диапазоне рабочих температур от минус 60 °C до плюс 200 °C [1–6]. Рассматриваемые изделия должны удовлетворять требованиям по сопротивлению усталостному и хрупкому разрушению, а также коррозионной стойкости в условиях агрессивных сред. Это обусловливает выбор материалов для их производства. Значительная протяженность нефте- и газопроводов предполагает обеспечение надежного соединения труб. Отечественные производители предлагают муфтовые и безмуфтовые соединения с коническими трапецеидальными и треугольными резьбами [7–10]. В муфтовых выделяют типы:

• ОТТГ (для обсадных труб с трапецеидальной резьбой и повышенной герметичностью);
• с трапецеидальной резьбой «Батресс».

Соединение первого типа отличается высокой герметичностью и стойкостью к растягивающим нагрузкам. Эти качества обеспечивает форма профиля резьбы — неравнобедренная трапеция с шагом 5,08 мм и конусностью 1:16 (рис. 1).

Угол закладной стороны трубы в 10° обеспечивает легкую посадку в муфту и снижает вероятность заедания резьбы. При растягивающих и изгибающих нагрузках резьба трубы не должна выходить из зацепления с резьбой муфты, поэтому опорная сторона профиля выполнена под углом 3° [8–12]. Расположенные за резьбой сопряженные конические уплотнительные поверхности повышают герметичность. При соединении величина натяга ограничивается благодаря контакту изделий по внутренним упорным торцам. Уплотнительное кольцо из фторопласта повысит герметичность соединения [13].

Схема муфтового соединения с трапецеидальной резьбой типа «Батресс» представлена на рис. 2.

Отличительная особенность этого типа соединения — возможность продолжительное время принимать значительные растягивающие нагрузки. Профиль резьбы «Батресс» имеет форму неравнобедренной трапеции с шагом 5,08 мм и конусностью 1:16 [14].

Углы наклона закладной и опорной стороны — 10° и 3° соответственно. Это упрощает сборку и снижает вероятность заедания. Для герметичности используют специальную смазку или фторопластовые кольца [15].

Основные требования к распространенным типам соединений обсадных труб:

• проходимость в стволах скважин различной сложности и глубины, в том числе на участках значительного искривления;
• герметичность колонн труб и высокая прочность для всех видов нагрузок;
• обеспечение прохода приспособлений и инструмента во внутреннее пространство колонн труб при технологических операциях.

Необходимо строго соблюдать требования стандартов к качеству резьбовых соединений, а также к средствам и методам контроля. Характеристики резьбовых соединений обсадных труб регламентируются ГОСТ 632–80 и международным стандартом API 5В. Эти документы предписывают контролировать следующие параметры: внешний вид резьбы, геометрические параметры резьбы и уплотнительных конических поверхностей, натяг по резьбовому рабочему калибру.

Отметим, что не всегда совпадают формы сопрягаемых элементов трубы и муфты в поперечных сечениях. В этих случаях на некоторых участках сопрягаемые поверхности не будут контактировать, т. е. сопряжение останется неплотным. Это создает условия для течи в соединении. Если такой зазор не устранить с помощью силовой затяжки конических соединений, то невозможно обеспечить эффект кольцевого замка, который гарантирует герметичность. Таким образом, отклонения от конусности создают предпосылки для неплотностей и течей. В качестве примера рассмотрим соединения ОТТГ и «Батресс» трубы с наружным диаметром 127 мм. На участке 25,4 мм допустимые отклонения от конусности составляют соответственно: мм и мм.

Материалы и методы. Данные, полученные в рамках исследования, прошли статистическую обработку с использованием общепринятых методов.

Для определения степени герметичности годных труб измерили радиальное биение конических и цилиндрических поверхностей патрубков. Эти элементы закрепляли в обратных кулачках трехкулачкового токарного патрона (т. е. по поверхности базирования трубы на станке 1И611П) при условии минимизации упругих деформаций объекта от усилий зажима. Сначала кулачки патрона приводили в контакт с патрубком с усилием, достаточным для его удержания навесу, — так корректировали его осевое положение в патроне при прокручивании шпинделя. Визуально контролировали биение поверхностей. Затем в плоскости кулачков создавали контакт поверхности патрубка и закрепленного на стойке индикатора часового типа (рис. 3). Патрубок зажимали в кулачках патрона. По стрелке индикатора следили, чтобы усилие зажима не деформировало стенку патрубка между кулачками патрона.

Для измерения биения уплотнительного пояска и фаски суппорт станка со стойкой индикатора первоначально оставался неподвижным, а сферический наконечник индикатора устанавливался на середину пояска и середину фаски. Показания индикатора считывались и регистрировались поворотом шпинделя станка через каждые 10° (фиксировали в 36 сечениях, начиная с нулевого). Индикатор перемещался в осевом направлении детали, наконечник сохранял положение относительно центра фаски или пояска.

Измерили биение резьбовой поверхности по ленточке выступа резьбы. Для этого гитару и коробку подач станка настроили на дюймовую резьбу с пятью нитками на дюйм. После включения маточной гайки ходового винта прокручиванием шпинделя выбрали все мертвые хода в кинематике станка. При этом индикатор был настроен на середину ленточки первой нитки резьбы в нулевом сечении. Показания индикатора фиксировались через каждые 10° поворота патрубка во всех 36 сечениях на пяти нитках резьбы. В процессе измерения индикатор также перемещался в осевом направлении детали с сохранением положения наконечника относительно центра ленточки.

Результаты исследования. На рис. 4 в полярной системе координат представлены результаты измерения радиального биения наружных поверхностей патрубков с различными соединениями.

Для контроля конусности в поле допуска измерили отклонения вершин резьбы на пяти нитках от заданного профиля (спираль Архимеда) в радиальном направлении. Для патрубка «Батресс» по значениям измеренного радиального биения поверхности вершин резьбы построили график в полярной системе координат (рис. 5 а). Здесь радиальная шкала имеет значения от 0 до 2 мм, а круговая шкала — от 0° до 360°. Аналогично исследовали радиальное биение вершин выступов резьбы на патрубках ОТТГ (рис. 5 б).

Диаграмма (рис. 6 а) построена по результатам измерения радиального биения фасок патрубков с резьбой «Батресс». Значения радиального биения пояска отражены на графике 6 б, который демонстрирует отклонение от круглости уплотнительного пояска. Сопоставление полученных разными методами значений отклонения формы пояска от круглости показывает их идентичность.

Обсуждение и заключения. Анализ рис. 4 показывает, что для труб с различными типами соединений характерны значительные отклонения конусности. В то же время поверхность трубы с резьбой «Батресс» сравнительно гладкая. Если же диаграмма визуализирует резьбу ОТТГ, то наблюдаются резкие выбросы большого количества точек. Это значит, что на поверхности трубы есть грубый макрорельеф со значительными случайными перепадами уровня поверхности.

На рис. 5 а хорошо видна неплавность восходящей линии спирали с разностью радиусов-векторов более 0,4 мм. Волнообразное изменение линии ординат профиля — это следствие несовпадения оси вращения патрубков с осью резьбы. Эту гармоническую составляющую можно компенсировать специальной математической обработкой, которая не запланирована в настоящем исследовании. Анализ рис. 5 б показывает достаточно большую неплавность восходящей линии вершины резьбы. Это говорит о значительных отклонениях рассматриваемой поверхности от заданного профиля (спираль Архимеда) для соединения ОТТГ.

Анализ рис. 6 показывает, что отклонение от круглости (разность наибольшего и наименьшего радиусов-векторов биения) составляет около 0,25 мм. Погрешности формы уплотнительного пояска для соединения типа ОТТГ определены разными методами. По измеренным значениям диаметра пояска (в плоскости торца) обнаружена вариация размеров до 0,25 мм (от нулевого сечения, через 30°): 169,35; 169,20; 169,10; 169,15; 169,25; 169,30. Угловое распределение отсчетов диаметра указывает на овалообразную форму поверхности пояска в поперечном сечении.

Таким образом, можно сделать вывод о значительных отклонениях у поверхностей труб и муфт. Речь идет о качестве резьб, фасок, поясков, что определяет надежность соединения. Эти отклонения обусловливают появлениев партии бракованных изделий. Их использование не обеспечивает герметичность и надежность соединения «труба — муфта», что ведет к течи при гидравлических испытаниях. Достижение заданного качества соединения обеспечивается только методом групповой взаимозаменяемости, который требует предварительного разделения собираемых изделий на группы и генерирует дополнительные затраты. Необходимо ужесточить допуски на изготовление резьбовых частей труб и муфт, что позволит выполнять сборку методом полной взаимозаменяемости. Рассматриваемые отклонения могут возникать из-за нестабильности технологического процесса получения резьб. В частности, негативно сказывается недостаточная жесткость технологической системы и ее несвоевременная подналадка.