Устройство для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности
Полезная модель относится к упрочнению и/или восстановлению муфтовых резьбовых элементов трубных изделий и муфт и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности. Устройство содержит станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, систему подвески ультразвуковой головки, узел позиционирования трубы в продольном направлении и узел контроля качества муфтового резьбового элемента. Рабочий инструмент волновода выполнен с резьбой, ответной обрабатываемому муфтовому резьбовому элементу и размещен на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. Рабочий инструмент выполнен с возможностью ввинчивания в восстанавливаемый муфтовый резьбовой элемент. Система подвески ультразвуковой головки размещена в установленной на станине каретке и содержит не менее четырех пружин. Из них не менее трех равнорасположены по углу и соединены с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения. Не менее одной пружины расположено в другом поперечном сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр ультразвуковой головки. Узел контроля качества резьбового элемента включает щуп в форме гильзы, расположенный снаружи резьбового рабочего инструмента, используемого в качестве калибра. Технический результат - сужение диапазона отклонений от соосности инструмента ультразвуковой головки и обрабатываемого муфтового резьбового элемента, и снижение доли ошибочно перебракованных муфтовых резьбовых элементов. 3 з.п. ф-лы.
Полезная модель может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, как на ремонтных базах, так и в полевых условиях. Полезная модель предназначена для упрочнения и/или восстановления муфтовых резьбовых элементов трубных изделий и муфт, например, бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, в процессе подготовки их к эксплуатации (упрочнение), технического обслуживания и поддержания в надлежащем состоянии резьбовых элементов (упрочнение и восстановление или только восстановление) во время спуско-подъемных операций в процессе бурения и эксплуатации нефтегазовых и других скважин и т.п. Под муфтовыми резьбовыми элементами понимаются муфтовый конец безмуфтовой трубы, участок замка трубы с замковой внутренней резьбой, половина муфты насосно-компрессорной трубы, различные элементы конической резьбы, такие как вершина, вставная фронтальная грань, нагрузочная тыльная грань, соответственно, головки или ножки профиля резьбы трубы и т.п.
Известно восстановление труб, бывших в эксплуатации обновлением резьбовых элементов путем перенарезки резьбового профиля (SU 1563884). Однако восстановление перенарезкой часто сопряжено с отрезкой участков трубы, что ведет к повышению удельного расхода металла труб на тонну добываемой продукции. Повышенный удельный расход металла сопряжен также с необходимостью замены муфт с изношенной резьбой, т.к. последняя не подлежит перенарезке для всех типов труб, кроме бурильных.
Восстановление замковых муфтовых резьбовых элементов бурильных труб указанным путем не учитывает особенностей распределения фактической площади контакта, напряжений и износа по длине резьбового элемента.
Известно устройство, реализующее способ безабразивной полировки поверхностей, способствующей увеличению фактической площади контакта и упрочнению поверхностей, содержащее ультразвуковую колебательную систему продольно-крутильных колебаний, состоящую из магнитострикционного преобразователя, волновода со спиральными пазами и сменным элементом на торце (SU 546463).
К недостаткам известного устройства относится то, что оно не может быть использовано для усовершенствования технологии по восстановлению резьбовых соединений в связи с заклиниванием таких инструментов в конических соединениях.
Наиболее близким является устройство для упрочнения муфтовых резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому муфтовому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси и выполненным с возможностью ввинчивания в восстанавливаемый муфтовый резьбовой элемент, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении (RU 2092291).
Состав системы контроля качества резьбы обрабатываемого муфтового резьбового элемента в патенте-прототипе не конкретизируется.
Недостатком известного устройства-прототипа является и то, что из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого муфтового резьбового элемента, что приводит к потере симметрии сил реакции подвески и понижению точности ультразвукового
воздействия на обрабатываемый муфтовый резьбовой элемент. Отсутствие в описанной системе средств оперативного контроля качества резьбы обрабатываемого резьбового элемента не дает возможности обеспечения высокого качества работы с внутренней резьбой на трубных изделиях.
Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении соосности инструмента ультразвуковой колебательной системы и обрабатываемого муфтового резьбового элемента, а также в уменьшении перебраковки при обработке изделий за счет обеспечения надежности и технологичности оперативного контроля качества резьбы по показателям натяга муфтового резьбового элемента по резьбовому калибру.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для упрочнения и восстановления муфтовых резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащем станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому муфтовому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси и выполненным с возможностью ввинчивания в восстанавливаемый муфтовый резьбовой элемент, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении и узел контроля качества муфтового резьбового элемента, система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной в другом сечении, отстоящем от первого (упомянутого) не менее чем на диаметр ультразвуковой головки, а узел контроля качества
резьбового элемента включает щуп в форме гильзы, расположенный снаружи резьбового рабочего инструмента, используемого в качестве калибра.
Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
Сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом выполнен в виде метчика с внешней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому муфтовому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси или имеющими правовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°.
Могут быть использованы различные концентраторы, отличающиеся как по количеству элементов с различным профилем продольного сечения (простой, составной), так и по количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно-, двух- и т.д. ступенчатый). Предпочтительно выполнение концентратора одноступенчатым стержневым или двухступенчатым составным стержневым. В последнем случае соединение ступеней двухступенчатого составного стержневого концентратора, имеющих узловые фланцы, может быть выполнено с помощью резьбовых крепежных деталей, например, шпилек.
Соединение сменного резонансного волновода с концентратором может иметь различное исполнение, например, в виде узлового фланцевого соединения торцов, посредством резьбовой крепежной детали, в виде фланцевого соединения. Указанное фланцевое соединение может быть выполнено в виде байонетного замка с пружинным поджимом замка к узловому фланцу концентратора или в виде байонетного замка с жестким поджимом замка шпильками к узловому фланцу концентратора.
Каретка может быть выполнена подвижной относительно станины. Привод каретки может быть выполнен электрическим с червячным
механизмом осевой подачи, с реечным механизмом осевой подачи или с червячным и реечным механизмом осевой подачи.
Кроме того, привод каретки может быть выполнен в виде гидроцилиндра подачи.
Электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде магнитнострикционного преобразователя, в виде стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя, например, Ланжевеновского типа.
Возможно различное исполнение узла зажима и вращения трубы вокруг продольной оси:
- в виде передней бабки токарного станка,
- с приводом в виде асинхронного двигателя.
- с приводом в виде гидромотора.
- с механизмом зажима в виде кулачкового механизма с гидроцилиндром.
Возможно использование датчиков позиционирования в механизме вращения трубы вокруг продольной оси, контролирующих положение ультразвуковой колебательной системы относительно станины, выполненных в виде электромагнитных бесконтактных с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных с реакцией на стальные объекты, которые размещены на каретке.
Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение, в частности, спайкой или резьбовым.
Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет снизить диапазон отклонений от соосности ультразвуковой колебательной системы по отношению к обрабатываемому муфтовому резьбовому элементу трубы, по сравнению с прототипом в 2 и более раза, что неизбежно приводит к снижению потерь симметрии сил реакции подвески и
повышению точности ультразвукового воздействия на участки обрабатываемого муфтового резьбового элемента.
Наиболее предпочтительной является система подвески ультразвуковой головки, содержащая не менее трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, который проходит через ее центр масс. В этом случае достигается большая надежность поддержания практически идеальной соосности даже при использовании трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения.
Практически система подвески ультразвуковой головки содержит две группы пружин, которые по углу равнорасположенны относительно плоскости поперечного сечения, проходящей через продольную ось головки.
В первой группе не менее трех пружин соединены с корпусом ультразвуковой головки на периферии одного ее поперечного сечения, расположенного на участке от торца корпуса, снабженного фланцем и обращенного к узлу зажима изделия, до центра масс головки включительно. Во второй группе не менее, чем одна пружина расположена у противоположного конца ультразвуковой головки, при этом корпус ультразвуковой головки установлен параллельно направлению излучения ультразвуковой колебательной системы и соосно обрабатываемому резьбовому элементу.
Увеличение количества пружин, как сверх трех по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, так и сверх одной, расположенной в другом сечении, предпочтительно, вертикально, повышает надежность обеспечения соосности даже при размещении пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, не проходящего через ее центр масс. Количество пружин определяется в каждом конкретном случае в зависимости от линейных размеров, массы и
особенностей конструкции элементов ультразвуковой головки и прочих узлов, входящих в устройство, с учетом обеспечения удобства обслуживания и минимальной металлоемкости устройства.
Предлагаемое устройство имеет типичную принципиальную схему (например, подобную приведенной в патенте RU 2092291) и состоит из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, например, приводного роликового с пассивным прижимным роликом роликового механизма вращательно-поступательного перемещения труб, ультразвуковой головки, имеющей корпус, систему пружинной подвески корпуса ультразвуковой головки, размещенную в установленной на станине каретке, узла позиционирования трубы в продольном направлении и узла контроля качества муфтового резьбового элемента. Каретка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. В корпусе ультразвуковой головки закреплена колебательная система, включающая электроакустический преобразователь, с обмоткой, подключаемой к ультразвуковому генератору, например, мод. УЗГЗ-4, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому муфтовому резьбовому элементу, размещенным на выходном четвертьволновом участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение. Ультразвуковой генератор имеет стабилизатор амплитуды ультразвуковых колебаний и блок автоматического поддержания резонанса. Ультразвуковая головка содержит локальную ванну, уплотняющуюся по внешней поверхности обрабатываемого муфтового резьбового элемента.
Для работы устройства в полевых условиях в сочетании со спуско-подъемными операциями над трубными колоннами в общую схему дополнительно включаются следующие элементы: элеватор подъемно-транспортного механизма, ключ двустороннего действия, закрепляемый на
корпусе ультразвуковой головки, водило приводного механизма относительного вращения резьбовых элементов, а также бесконтактный выключатель в качестве счетчика оборотов водила и акустический изолятор полуволновый с узловым опорным фланцем соответствующий регулируемой частоте ультразвуковых колебаний.
Работа устройства может осуществляться следующим образом.
Трубу с обрабатываемым муфтовым резьбовым элементом, подводят посредством механизма относительного вращения резьбовых элементов к ультразвуковой головке, навинчивают на обрабатывающий муфтовый резьбовой элемент, при этом в локальную ванну обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Возможно как вращение ультразвуковой головки при неподвижной трубе с обрабатываемым муфтовым резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.
При замедлении относительного вращения в конце навинчивания, например, по сигналу крутильного акселерометра включают обработку резьбы с ультразвуковыми колебаниями, подключая преобразователь к ультразвуковому генератору со стабилизатором амплитуды ультразвуковых колебаний, например, на уровне 5±2 мкм, и блоком автоматического поддержания резонанса, причем частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для частоты одного из тонов собственных колебаний изделия с обрабатываемым муфтовым резьбовым элементом (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из желаемой интенсивности ультразвукового воздействия и допустимого износа инструмента. Ввинчивание чередуют с вывинчиванием на 1-2 оборота.
Продолжая ввинчивать и вывинчивать резьбовые элементы, выполняют обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием с ультразвуковыми колебаниями, что обеспечивает очистку и химическую пассивацию резьбы. Соосность ультразвуковой колебательной системы,
обеспечиваемая предлагаемой конструкцией системы подвески ультразвуковой головки, позволяет обеспечить точность ультразвукового воздействия на обрабатываемый муфтовый резьбовой элемент. Ввинчивание резьбовых элементов прерывают, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов, затем переходят к вывинчиванию резьбового рабочего инструмента из обрабатываемого муфтового резьбового элемента. Начало вывинчивания облегчается снижением сил трения при колебаниях и, дополнительно, радиальными деформациями обрабатывающего резьбового элемента при приложении крутящего момента в случае наличия спиральных пазов на рабочем инструменте.
Чередующиеся ввинчивание и вывинчивание прерывают при достижении нормативного натяга муфтового резьбового элемента по резьбовому калибру. Операции проводят в один или более проходов ввинчивания. Узел контроля качества муфтового резьбового элемента, включающий щуп в форме гильзы, расположенный снаружи резьбового рабочего инструмента-метчика, используемого в качестве калибра, упруго поджат к торцу обрабатываемой муфты и через рычажный механизм дает перемещения стрелки-указателя глубины посадки муфты на рабочий инструмент и обеспечивает достаточно надежное и точное измерение линейных перемещений, прост в монтаже и наладке, легко адаптируется к компьютерным системам, например АСУ НТС, достигается возможность контроля по показателю «натяг резьбового участка по гладкому калибру» и по параметру «половина рабочей высоты профиля». Узел контроля качества резьбового элемента позволяет снизить долю ошибочно перебракованных муфтовых резьбовых элементов, что позволяет снизить количество брака на 3-5%.
1. Устройство для упрочнения и/или восстановления муфтовых резьбовых элементов трубных изделий и муфт для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому муфтовому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси и выполненным с возможностью ввинчивания в обрабатываемый муфтовый резьбовой элемент, систему подвески ультразвуковой головки, размещенной в установленной на станине каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении и узел контроля качества муфтового резьбового элемента, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной в другом поперечном сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр ультразвуковой головки, а узел контроля качества резьбового элемента включает щуп в форме гильзы, расположенный снаружи резьбового рабочего инструмента, используемого в качестве калибра.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин растяжения.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин сжатия.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.
